權(quán)利要求

1.具有復(fù)合增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料以凱夫拉纖維為復(fù)合增強(qiáng)體原料，環(huán)氧樹脂為基體；所述復(fù)合增強(qiáng)體以多層組織結(jié)構(gòu)單元與平紋組織結(jié)構(gòu)單元為配比單元。2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)將所述凱夫拉纖維進(jìn)行上漿處理； (2)按照設(shè)定好的結(jié)構(gòu)織造復(fù)合增強(qiáng)體； (3)對(duì)所述復(fù)合增強(qiáng)體進(jìn)行脫漿處理并干燥； (4)以樹脂固化劑混合溶液浸漬所述復(fù)合增強(qiáng)體，靜置，得到所述復(fù)合材料。 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)上漿處理的溫度為100℃。 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)上漿處理所用漿料原料包括PVA、變性淀粉和水；所述PVA、變性淀粉和水的質(zhì)量比為48:112:1840。 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述漿料的制備方法包括以下步驟：將所述PVA、變性淀粉和水混合溶解后，于90℃下煮漿2.5h。 6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)脫漿處理采用NaOH溶液，處理時(shí)間為3h。 7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂固化劑混合溶液由JL-235樹脂與固化劑按照質(zhì)量比100:27混合得到。

說明書

具有復(fù)合增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有復(fù)合增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

復(fù)合材料一般是由兩種或兩種以上的材料，通過化學(xué)或物理的方法，在宏觀上組成的新性能的材料，其中組分根據(jù)其在實(shí)踐中的不同應(yīng)用可分為基體和增強(qiáng)體。它們?cè)诒３肿陨砉逃谢咎匦缘幕A(chǔ)上，通過界面之間的相互作用，來實(shí)現(xiàn)材料性能的疊加與互補(bǔ)和產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料獲得優(yōu)異的新的綜合性能，滿足其在不同領(lǐng)域的性能要求。

隨著紡織技術(shù)的飛速發(fā)展，以纖維為主要原料的針織物、機(jī)織物及非織造布被廣泛用作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體材料。紡織復(fù)合材料由于其低密度、高模量、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在安全防護(hù)和交通建設(shè)及航空航天等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

多層織物增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的整體性和仿形性，層壓復(fù)合材料有著優(yōu)異的抗拉伸性能，但是層壓復(fù)合材料的層間強(qiáng)度較低，易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而多層織物復(fù)合材料不僅可以擁有層壓復(fù)合材料高比剛度、高比強(qiáng)度、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還可以克服層壓復(fù)合材料的層間強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，并且可以提高復(fù)合材料層間性能和損傷容限，且這種織物可以在普通織機(jī)上織造或改造，生產(chǎn)效率高，適于批量生產(chǎn)。因此多層織物復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。多層織物組織結(jié)構(gòu)多樣化，多層織物增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能具有重要影響，對(duì)紡織復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義。多層結(jié)構(gòu)的織物復(fù)合材料是三維機(jī)織復(fù)合材料的一種特殊形式，其最大特點(diǎn)是粘合經(jīng)紗沿厚度方向以一定角度交織成型，從而提高復(fù)合材料的層間性能。多層結(jié)構(gòu)機(jī)織復(fù)合材料具有多種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過匹配不同的纖維類型、機(jī)織密度和其他設(shè)計(jì)參數(shù)，可以形成具有不同性能的復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

多層織物和平紋層壓復(fù)合材料與三維織物結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響方面，引起了學(xué)者們的關(guān)注及探討。其中郭洪偉通過對(duì)多層織物結(jié)構(gòu)的分析表明，緯紗密度對(duì)多層織物復(fù)合材料的力學(xué)性能有著顯著的影響，而提高緯紗密度也可以提高材料的整體性能，尤其是厚度方向的性能。胡靖元通過對(duì)層壓復(fù)合材料的研究分析表明，復(fù)合材料受沖擊損傷機(jī)理包括裂紋的穩(wěn)定性，傳播性和滲透性，以及材料結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收和纖維斷裂的影響。阮芳濤采取小樣織機(jī)制備了經(jīng)緯密度不同的芳綸/碳纖維混雜平紋織物，利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝制備了芳綸/碳混雜織物增強(qiáng)復(fù)合材料并測(cè)試材料的力學(xué)性能。研究表明，當(dāng)經(jīng)紗的密度增大時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量、拉伸模量呈下降趨勢(shì)，而材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)；李思輝對(duì)聚乙烯層壓復(fù)合材料進(jìn)行沖擊性能的試驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)把降解過程分為拉伸，剪切和分層三個(gè)階段，研究表明復(fù)合材料中纖維和基體材料的疊加是對(duì)能量吸收最多的。黃故對(duì)多維織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)制備復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)此提出多維機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等起著決定性作用，伸直狀態(tài)的長(zhǎng)絲束有利于提高三維機(jī)織物復(fù)合材料性能。顧龍?chǎng)瓮ㄟ^設(shè)計(jì)并織造了相同層數(shù)，結(jié)構(gòu)不同的織物進(jìn)行復(fù)合材料的制備，并對(duì)其材料進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試，從而證明了多維織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，厚度一定時(shí)，應(yīng)提高織物的面密度，從而可以提高復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度。從目前的整體研究方向來看，主要是基于單一織物結(jié)構(gòu)和材料的選擇應(yīng)用的變化來研究復(fù)合材料性能的影響，探索單一織物結(jié)構(gòu)以及空間和平面結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)用對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

而工程領(lǐng)域日益嚴(yán)格的要求對(duì)多層機(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料提出了更高的要求。目前的工業(yè)上所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能還沒有完全滿足實(shí)際需要。例如，作為異型構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)，復(fù)合加固需要結(jié)合良好的整體結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)變形能力，克服異型構(gòu)件在織造過程中的變形、彎曲等變形行為還不能完全符合條件需求。多層織物改變了經(jīng)紗和緯紗的排列規(guī)律以及每層經(jīng)紗和緯紗的交織規(guī)律，從而獲得良好的結(jié)構(gòu)變形和力學(xué)性能，有望成為異形結(jié)構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)材料。實(shí)際應(yīng)用過程中，多層復(fù)合材料在拉伸、壓縮等外部環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致材料損傷，嚴(yán)重影響材料的可繼續(xù)使用性，因此有必要對(duì)其力學(xué)性能做深入研究，對(duì)多層機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)織造以及工藝優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有復(fù)合增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，以滿足工程領(lǐng)域?qū)Χ鄬訖C(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料較高的性能需求，同時(shí)，為復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能影響提供理論與設(shè)計(jì)依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供一種具有復(fù)合增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料以凱夫拉纖維為復(fù)合增強(qiáng)體原料，環(huán)氧樹脂為基體；所述復(fù)合增強(qiáng)體以多層組織結(jié)構(gòu)單元與平紋組織結(jié)構(gòu)單元為配比單元。其中多層組織以機(jī)織組織結(jié)構(gòu)中的角聯(lián)鎖組織為基礎(chǔ)組織單元，平紋組織為二維機(jī)織組織中平紋組織結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)單元配置時(shí)，根據(jù)材料要求進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定復(fù)合組織配置比，再根據(jù)兩種組織單元的完全循環(huán)紗線數(shù)，確定兩種組織結(jié)構(gòu)單元的一個(gè)組織循環(huán)完全紗線數(shù)，當(dāng)兩種組織結(jié)構(gòu)單元完全循環(huán)紗線數(shù)不同時(shí)，根據(jù)兩種組織結(jié)構(gòu)單元的最小公倍數(shù)進(jìn)行循環(huán)紗線數(shù)的設(shè)置?？椩鞎r(shí)，采用分區(qū)穿綜法進(jìn)行穿綜。

本發(fā)明還提供上述復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將所述凱夫拉纖維進(jìn)行上漿處理；

(2)按照設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)織造復(fù)合增強(qiáng)體；

(3)對(duì)所述復(fù)合增強(qiáng)體進(jìn)行脫漿處理并干燥；

(4)以樹脂固化劑混合溶液浸漬所述復(fù)合增強(qiáng)體，靜置，得到所述復(fù)合材料。

進(jìn)一步地，步驟(1)上漿處理的溫度為100℃。

進(jìn)一步地，步驟(1)上漿處理所用漿料原料包括PVA、變性淀粉和水；所述PVA、變性淀粉和水的質(zhì)量比為48:112:1840。

進(jìn)一步地，所述漿料的制備方法包括以下步驟：將所述PVA、變性淀粉和水混合溶解后，于90℃下煮漿2.5h。

進(jìn)一步地，步驟(3)脫漿處理采用NaOH溶液，處理時(shí)間為3h。

進(jìn)一步地，所述樹脂固化劑混合溶液由JL-235樹脂與固化劑按照質(zhì)量比100:27混合得到。

本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明以平紋組織結(jié)構(gòu)單元與多層組織結(jié)構(gòu)單元為配比單元，設(shè)計(jì)具有復(fù)合組織結(jié)構(gòu)的多層組織結(jié)構(gòu)，以凱夫拉纖維為增強(qiáng)體原料，環(huán)氧樹脂為基體，通過真空輔助成型工藝制備芳綸環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，同時(shí)對(duì)比平紋層壓復(fù)合材料和多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能，分析多層組織結(jié)構(gòu)單元與平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合比例對(duì)制備的復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合多層組織結(jié)構(gòu)有利于多層芳綸環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，與傳統(tǒng)多層復(fù)合材料相比，組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3+1的復(fù)合多層復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高最多，為81.67％；組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為1+3的復(fù)合多層復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度改善最大，提高了近2倍；組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2+1的復(fù)合多層復(fù)合材料的抗沖擊性能最多增加了42.56％。

本發(fā)明在多維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體、二維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體，探究其結(jié)構(gòu)的不同對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，為復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響提供了理論與設(shè)計(jì)依據(jù)，有助于在減輕復(fù)合材料質(zhì)量的情況下保證復(fù)合材料的力學(xué)性能，以達(dá)到節(jié)約燃料和成本的目的，同時(shí)能夠改善現(xiàn)有紡織復(fù)合材料層間強(qiáng)度低等各方面應(yīng)用的缺點(diǎn)和不足。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料配置結(jié)構(gòu)圖；圖a為1+1配置結(jié)構(gòu)，圖b為1+2配置結(jié)構(gòu)，圖c為1+3配置結(jié)構(gòu)，圖d為1+4配置結(jié)構(gòu)，圖e為2+1配置結(jié)構(gòu)，圖f為3+1配置結(jié)構(gòu)；

圖2為實(shí)施例1中單層平紋織物組織結(jié)構(gòu)和多層織物組織結(jié)構(gòu)；圖a為平紋組織圖，圖b為多層組織圖；

圖3為樹脂傳遞模塑工藝裝置圖；其中：1-增強(qiáng)體，2-導(dǎo)流網(wǎng)，3-導(dǎo)流管，4-黑膠，5-墊板，6-真空膜，7-樹脂灌注出口，8-真空管，9-樹脂灌注入口；

圖4為復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度柱狀圖；

圖5為復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

圖6為復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度柱狀圖；

圖7為復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線；

圖8為復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度柱狀圖；

圖9為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模擬圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)詳細(xì)說明本發(fā)明的多種示例性實(shí)施方式，該詳細(xì)說明不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制，而應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明的某些方面、特性和實(shí)施方案的更詳細(xì)的描述。

應(yīng)理解本發(fā)明中所述的術(shù)語僅僅是為描述特別的實(shí)施方式，并非用于限制本發(fā)明。另外，對(duì)于本發(fā)明中的數(shù)值范圍，應(yīng)理解為還具體公開了該范圍的上限和下限之間的每個(gè)中間值。在任何陳述值或陳述范圍內(nèi)的中間值以及任何其他陳述值或在所述范圍內(nèi)的中間值之間的每個(gè)較小的范圍也包括在本發(fā)明內(nèi)。這些較小范圍的上限和下限可獨(dú)立地包括或排除在范圍內(nèi)。

除非另有說明，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所述領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)人員通常理解的相同含義。雖然本發(fā)明僅描述了優(yōu)選的方法和材料，但是在本發(fā)明的實(shí)施或測(cè)試中也可以使用與本文所述相似或等同的任何方法和材料。本說明書中提到的所有文獻(xiàn)通過引用并入，用以公開和描述與所述文獻(xiàn)相關(guān)的方法和/或材料。在與任何并入的文獻(xiàn)沖突時(shí)，以本說明書的內(nèi)容為準(zhǔn)。

在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可對(duì)本發(fā)明說明書的具體實(shí)施方式做多種改進(jìn)和變化，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。由本發(fā)明的說明書得到的其他實(shí)施方式對(duì)技術(shù)人員而言是顯而易見得的。本申請(qǐng)說明書和實(shí)施例僅是示例性的。

關(guān)于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限于。

本發(fā)明實(shí)施例所用原料如表1所示：

表1

實(shí)施例1增強(qiáng)體的制備

1.增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)體中，機(jī)織材料是較常用做增強(qiáng)體的一種紡織結(jié)構(gòu)，其主要分為平面雙軸向、平面多軸向、空間三維三種結(jié)構(gòu)。機(jī)織織物可以被任意設(shè)計(jì)，從而得到良好的結(jié)構(gòu)性能和穩(wěn)定性，且是經(jīng)緯紗在平面內(nèi)覆蓋系數(shù)較大的織物。

本發(fā)明把多層組織結(jié)構(gòu)與平紋組織結(jié)構(gòu)分別為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，并對(duì)兩個(gè)組織結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行復(fù)合配置(多層結(jié)構(gòu)組織單元是四層，平紋組織結(jié)構(gòu)單元是雙層)，其配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖a為1+1配置結(jié)構(gòu)，圖b為1+2配置結(jié)構(gòu)，圖c為1+3配置結(jié)構(gòu)，圖d為1+4配置結(jié)構(gòu)，圖e為2+1配置結(jié)構(gòu)，圖f為3+1配置結(jié)構(gòu)。

采用相同筘號(hào)進(jìn)行織造，經(jīng)密增相同，為124根/10cm，四層角聯(lián)鎖多層織物的緯密是98根/10cm，1+1的緯密是65，1+2的緯密是60，1+3的緯密是54，2+1的緯密是62，1+4的緯密是46，3+1的緯密是48，平紋織物的緯密是35。

為了增加復(fù)合結(jié)構(gòu)芳綸復(fù)合材料的性能研究，本發(fā)明還對(duì)比了平面雙軸向?qū)訅航Y(jié)構(gòu)和多層組織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，同時(shí)也可觀察斷裂處樹脂與增強(qiáng)體的結(jié)合情況。故選取了4層、6層平紋層壓結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)織物(四層角聯(lián)鎖)進(jìn)行后續(xù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。單層平紋織物組織結(jié)構(gòu)和多層織物組織結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖a為平紋組織圖，圖b為多層組織圖。

2.原料上漿

凱夫拉纖維雖然強(qiáng)度和比模量都很高，但是出于實(shí)際織造的考慮，因?yàn)榭椩煸鰪?qiáng)體不允許纖維有捻度，而凱夫拉纖維耐摩擦性極差，故導(dǎo)致織造比較困難，所以本發(fā)明織造前對(duì)凱夫拉纖維進(jìn)行上漿處理。

為了提高紗線可織性，且不改變紗線本身固有的物理性能，在不加捻的前提下，上漿是通過漿料將松散的凱夫拉爾纖維浸漬貼合，以增強(qiáng)集束效果并提高其耐磨性。

漿料配方為：含固率8％、PVA 48g、變性淀粉(磷酸酯淀粉)112g、水1840g。

將配方原料稱重后全部置于調(diào)漿桶中，加入要求的水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，使得在煮漿之前固體粉末能夠充分溶解。接著將調(diào)漿桶置于煮漿皿中，升溫加熱到90℃，開啟自動(dòng)攪拌器，同時(shí)為防止水分蒸發(fā)，含固率上升現(xiàn)象，在煮漿過程中加硬紙板封住調(diào)漿桶口，保溫?cái)嚢柚鬂{兩個(gè)半小時(shí)。待時(shí)間達(dá)到時(shí)，將漿料倒入燒杯中，在水浴鍋中保溫，防止?jié){料粘結(jié)變稠。接著采用GA391B型單紗漿機(jī)進(jìn)行上漿，烘房溫度調(diào)至100℃，開啟風(fēng)箱，用準(zhǔn)備好的漿料配方進(jìn)行上漿，以供織造經(jīng)紗的需要。

3.準(zhǔn)備工作

開始穿綜前需要調(diào)整綜框的高度和平齊度，以保證綜框運(yùn)轉(zhuǎn)正常，使控制機(jī)構(gòu)能夠正?？刂扑鶎?duì)應(yīng)的綜框。為了便于滿足織造多層織物的需求，故織造所有多層織物全部使用飛穿法穿筘。采用英制筘號(hào)＝60，修正60#筘的鋼筘，所有的紗線都采用一入一筘的方法。

4.上機(jī)織造

采用1580dtex無捻的凱夫拉(Kevlar)纖維，在SGA598型小樣織機(jī)上織造各增強(qiáng)體織物。

5.打緯工藝

多層試樣要求每層相同位置的緯紗重合，因此織造時(shí)應(yīng)加大打緯力度，使相同位置不同層數(shù)的紗線重合，進(jìn)而增加厚度出現(xiàn)三維效果。

6.織造環(huán)境

芳綸纖維1414不耐光，特別是紫外線，為了防止光照引起的實(shí)驗(yàn)誤差，織造過程需要在無直接光照條件下完成。

7.織物后處理

為了更好的讓樹脂浸透增強(qiáng)體中的纖維，對(duì)織造的織物進(jìn)行脫漿處理，處理工藝采用質(zhì)量濃度10％的NaOH溶液，對(duì)其水浴加熱(80℃)從而對(duì)增強(qiáng)體織物進(jìn)行脫漿處理，處理時(shí)間為3h，而后利用烘箱對(duì)處理后的織造的織物進(jìn)行烘干，烘箱溫度設(shè)定為85℃。

實(shí)施例2復(fù)合材料的制備

復(fù)合材料的制備包括八個(gè)步驟：準(zhǔn)備階段、封裝過程、抽氣、樹脂的配制、注膠、固化、脫模、后處理。

1.準(zhǔn)備規(guī)格為40cm×40cm×0.8cm的玻璃板，在玻璃板上鋪上一層相應(yīng)規(guī)格的隔離膜。實(shí)驗(yàn)開始前將玻璃板用蒸餾水洗凈靜置晾干，并且保證薄膜平整無褶皺。

2.以塑料薄膜為底板，居中放置機(jī)織物，并在織物的四周用AT-199膠帶定位，其具體位置為膠帶距離織物左右兩側(cè)各1-2mm，上下3-4mm。在定位時(shí)要注意膠帶連接點(diǎn)的密封性，在膠帶四個(gè)頂角處和織物上下側(cè)多粘一些膠帶，要求膠帶條與條之間無縫隙，且織物上下側(cè)多粘的膠帶區(qū)長(zhǎng)6-7cm，寬5cm。

3.取下織物，在薄膜上刷上外用脫模劑。脫模劑則是為了方便復(fù)合材料卸下，保護(hù)其結(jié)構(gòu)的完整性。

4.重新放置織物，并將另一塊塑料薄膜放置在織物上；為了增強(qiáng)成型復(fù)合材料板可卸的便易性，還可以在織物與上、下薄膜之間放置脫模布。

5.依次粘結(jié)外直徑16mm、內(nèi)直徑12mm的導(dǎo)流粗管和外直徑6mm、內(nèi)直徑4mm的導(dǎo)流細(xì)管。粘結(jié)過程為：先取細(xì)管的一端，在5cm長(zhǎng)處上下左右纏繞一層長(zhǎng)達(dá)5cm的膠帶區(qū)，然后粘結(jié)在下層板上表面下側(cè)居中的5cm寬的膠帶區(qū)，覆蓋膠帶，增強(qiáng)其密封性；再取粗管的一端，同樣在5cm長(zhǎng)處，上下纏繞一層長(zhǎng)達(dá)5cm的膠帶區(qū)，然后粘結(jié)在下層板織物上表面上側(cè)居中的5cm寬的膠帶區(qū)，覆蓋膠帶，增強(qiáng)其密封性。

6.粘好脫模布，用玻璃棒反復(fù)按壓膠帶粘結(jié)的地方，防止空氣進(jìn)入模具內(nèi)。

7.將2XZ-2型旋片式真空泵抽氣口與導(dǎo)流粗管相連接，用大力鉗封住樹脂進(jìn)出端導(dǎo)流粗管，打開真空泵抽取模具內(nèi)氣體，待表上大氣壓達(dá)到700Pa時(shí)，將導(dǎo)流粗管打折并夾上大力鉗，持續(xù)放置15分鐘，觀察否漏氣。如不漏氣則可導(dǎo)入樹脂，若漏氣則找到漏氣點(diǎn)粘好并重新檢查。尤其注意在膠帶接口處易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，用玻璃棒將各個(gè)拐角夾緊即可。

8.配備127g樹脂固化劑混合溶液，JL-235樹脂與固化劑質(zhì)量比為100:27，充分?jǐn)嚢?min后，靜置10分鐘進(jìn)行消泡。再打開真空泵，打開導(dǎo)流粗管上的封口并迅速將導(dǎo)管插入帶有樹脂的燒杯中(減少空氣進(jìn)入密封空間)，直至混合溶液充分浸漬織物后，再封好兩端導(dǎo)流管，關(guān)閉真空泵，并用重物壓緊，保證材料硬化后平整，放置24小時(shí)。待上述復(fù)合材料放置24小時(shí)后，將其從玻璃板上剝離下來。剝離下的材料標(biāo)號(hào)不能混淆。

9.使用切割機(jī)將大的復(fù)合材料板進(jìn)行裁制制備試樣樣品；因芳綸纖維的物理性質(zhì)所決定，切割后的材料，寬度方向的兩邊會(huì)有纖維漏出材料板面，長(zhǎng)度方向上會(huì)有多余的樹脂等雜質(zhì)，因此需要打磨材料至均勻。

圖3為樹脂傳遞模塑工藝裝置圖。

實(shí)施例3復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試

1.拉伸性能

根據(jù)ASTM D3039/D3039M-08《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制備試樣，具體如表1所示。

表1

拉伸斷裂應(yīng)力由公式計(jì)算得出，具體計(jì)算公式如下所示：

式中：σ—為拉伸斷裂強(qiáng)度，MPa；

P—為拉伸斷裂強(qiáng)力，N；

b—試樣寬度，mm；

h—為試樣厚度，mm；

表2為復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果?？芍?，增強(qiáng)體為四層的層壓復(fù)合材料所需拉伸斷裂強(qiáng)度最大，約為509.74MPa，多層復(fù)合材料所需拉伸斷裂強(qiáng)度最小，約為144.05MPa。這是因?yàn)閷?duì)于多層織物，緯紗密度增大，增加了經(jīng)紗與緯紗的交織次數(shù)，間接增加了緯紗與經(jīng)紗的結(jié)合力，使經(jīng)紗在承受經(jīng)紗張力時(shí)受阻，不能自由拉伸。因此多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度不如平紋層壓材料。

表2

圖4為復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度柱狀圖。通過各試樣的抗拉伸強(qiáng)度的數(shù)據(jù)大小可看出復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉伸性能都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。對(duì)比多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為144.05MPa，在復(fù)合結(jié)構(gòu)中加入平紋組織結(jié)構(gòu)單元后的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度得到提高。其中編號(hào)1(1+1)試樣拉伸強(qiáng)度為212.78MPa，提高了材料的拉伸強(qiáng)度47.71％。編號(hào)2(2+1)試樣拉伸強(qiáng)度為230.52MPa，提高了材料的拉伸強(qiáng)度60％。編號(hào)3(1+3)試樣拉伸強(qiáng)度為202.18MPa，提高了材料的拉伸強(qiáng)度40.35％。編號(hào)4(4+1)試樣拉伸強(qiáng)度為227.70MPa，提高了材料的拉伸強(qiáng)度57.70％，編號(hào)5(2+1)試樣拉伸強(qiáng)度為227.03MPa，提高了材料的拉伸強(qiáng)度57.60％，編號(hào)6(3+1)試樣拉伸強(qiáng)度為261.71MPa，提高了材料的拉伸強(qiáng)度81.67％。從以上數(shù)據(jù)可知，復(fù)合的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的平紋單元可以提高材料的抗拉伸能力。這是因?yàn)閷?duì)于平紋織物來說經(jīng)紗與緯紗配比一致，其纖維的整體趨向于伸直狀態(tài)，使得經(jīng)紗在承擔(dān)經(jīng)向拉伸載荷時(shí)直接受力，因此經(jīng)向拉伸強(qiáng)度優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

圖5為復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過各試樣的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線所圍成的面積，可知各復(fù)合材料試樣斷裂功的大小，其中六層層壓復(fù)合材料斷裂功最大，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料斷裂功最小。這是因?yàn)閷?duì)于多層織物來說經(jīng)紗的增加提高了經(jīng)紗對(duì)緯紗的束縛，從而間接地提高了緯紗為經(jīng)紗的束縛，使得經(jīng)紗在承擔(dān)經(jīng)向拉伸載荷時(shí)受阻礙，不能自由的伸展，因此多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的斷裂功小于平紋層壓材料斷裂功。

在實(shí)驗(yàn)中通過增強(qiáng)體材料與復(fù)合材料質(zhì)量分析可知，六層的層壓復(fù)合材料浸透的樹脂只有16g，而多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料樹脂浸的樹脂為32g，二者經(jīng)過對(duì)比可知，六層的層壓復(fù)合材料在受到拉伸作用力時(shí)纖維受力為主體，而多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料受拉伸力時(shí)復(fù)合材料中的樹脂也受較為均勻拉伸力的作用。六層的層壓復(fù)合材料在受到拉伸力時(shí)，由于增強(qiáng)體與樹脂間受力不均勻，故出現(xiàn)當(dāng)拉伸強(qiáng)度達(dá)到材料所能承受的極限時(shí)，其試樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在受拉伸力時(shí)使織物與樹脂受力較為均勻，所以當(dāng)力到材料承受最大拉伸力時(shí)發(fā)生的是試樣的直接出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.彎曲性能

彎曲性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)則需根據(jù)實(shí)驗(yàn)采用方法及試樣厚度進(jìn)行選擇，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器測(cè)試方法為三點(diǎn)彎曲法，故選取ASTM D790為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。試樣的尺寸與厚度相關(guān)具體標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3

抗彎強(qiáng)度，是指材料發(fā)生彎曲時(shí)的最大應(yīng)力與彎曲橫截面積的比值，具體計(jì)算公式如下所示。

式中：σ—抗彎強(qiáng)度，MPa；

P—作用力，N；

L—支持跨距，mm；

b—試樣寬度，mm；

h—試樣厚度，mm；

表4為復(fù)合材料的彎曲性能測(cè)試結(jié)果?？芍?，多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料所需彎曲斷裂強(qiáng)度是110.42MPa，四層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料所需彎曲斷裂強(qiáng)度166.75MPa。從層壓復(fù)合材料和多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料角度分析，層壓復(fù)合材料的抗彎曲性能優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎曲性能。這是因?yàn)閺澢芰榧喚€的垂直方向，受到彎曲作用力時(shí)，平紋組織經(jīng)緯紗交織點(diǎn)最多，經(jīng)緯密度相對(duì)較大，受彎曲力時(shí)承受彎曲力的紗線多，所以抗彎強(qiáng)度要優(yōu)于多層織物。

表4

圖6為復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度柱狀圖，從圖中可看出，對(duì)比多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎曲性能，在配入平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能得到了提高，其中編號(hào)1(1+1)試樣的抗彎曲強(qiáng)度為282.53MPa，材料的抗彎曲強(qiáng)度提高了156％。編號(hào)2(1+2)試樣的抗彎曲強(qiáng)度為187.08MPa，材料的抗彎曲強(qiáng)度提高了70％。編號(hào)3(1+3)試樣的抗彎曲強(qiáng)度為310.16Mpa，材料的抗彎曲強(qiáng)度提高了181.81％。編號(hào)4(1+4)試樣的抗彎曲強(qiáng)度為221.41MPa,材料的抗彎曲強(qiáng)度提高了100％。其中編號(hào)3(1+3)試樣的抗彎曲性能表現(xiàn)最好。在配入多層組織結(jié)構(gòu)單元的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的試樣抗彎曲性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，編號(hào)5(2+1)試樣的抗彎曲強(qiáng)度為256.31MPa,材料的抗彎曲強(qiáng)度提高了132.72％。編號(hào)6(3+1)試樣的抗彎曲強(qiáng)度為242.54MPa,材料的抗彎曲強(qiáng)度提高了120％。

經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，多層結(jié)構(gòu)單元的增加，降低了復(fù)合材料材料抗彎曲性能。這是因?yàn)閺澢芰榧喚€的垂直方向，復(fù)合材料受到彎曲作用力時(shí)，經(jīng)紗與緯紗受力情況不同，這是因?yàn)閷?duì)于多層織物來說經(jīng)向紗的增加提高了經(jīng)向紗對(duì)緯紗的束縛，從而間接地提高了緯經(jīng)紗之間的相互束縛，使得緯紗在承擔(dān)彎曲載荷時(shí)受阻礙，故表現(xiàn)出其彎曲性能較差。

圖7為各復(fù)合材料彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，曲線下降的坡度隨著平紋組織結(jié)構(gòu)單元的增加而逐漸變緩，曲線上升階段斜率即是材料的彎曲模量，其代表在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力。編號(hào)2(1+2)、編號(hào)3(1+3)、編號(hào)4(1+4)三種復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的模量相差不大，編號(hào)1(1+1)的略大一些。四層層壓復(fù)合材料和六層層壓復(fù)合材料及多層復(fù)合材料試樣的模量普遍小于復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣，主要是因?yàn)殡S著平紋組織結(jié)構(gòu)單元和多層組織結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行復(fù)合后材料整體性能發(fā)生很大變化，對(duì)彎曲性能發(fā)生明顯的影響。從圖中還可看出，試樣1(1+1)的應(yīng)力峰值最大，但其應(yīng)變也是最小的，曲線下面積在一定程度上表征試樣破壞所需能量，很明顯能看出復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣被破壞所需要的能量大于單純的多層復(fù)合材料試樣和四層層壓、六層層壓復(fù)合材料試樣。

3.抗沖擊性能

沖擊性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)常見的有落錘沖擊試驗(yàn)(ASTM D7136)、擺錘式(ASTM D6110)等，本發(fā)明由于采用的是XJJ-50S數(shù)顯簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，本次測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)室通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，其要求試樣測(cè)試具體如表5所示。

表5

沖擊強(qiáng)度，是指材料單位面積吸收能力，表示材料的抗沖擊能力。具體計(jì)算公式如下所示。

式中：α k—沖擊強(qiáng)度，KJ/m 2；

Ec—試樣吸收能量，J；

h—試樣厚度，mm；

b—試樣寬度，mm；

表6為復(fù)合材料的沖擊性能測(cè)試結(jié)果。由表6數(shù)據(jù)中可知，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度為0.0242KJ/m 2，四層層壓復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度為0.0545KJ/m 2，六層層壓復(fù)合材料的抗彎曲強(qiáng)度為0.0589KJ/m 2。由以上三組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，層壓復(fù)合材料的抗沖擊性能要明顯優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。這是由于平紋組織經(jīng)緯紗交織點(diǎn)最多，紗線之間的摩擦約束力最強(qiáng)，多層織物經(jīng)緯浮長(zhǎng)線較平紋長(zhǎng)，組織循環(huán)中經(jīng)緯紗交織次數(shù)較平紋少，最終導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度比平紋層合材料小。

表6

圖8為復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度柱狀圖。由圖8可以看出，對(duì)比多層復(fù)合材料的抗沖擊性能，在配入平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊性能得到了提高。編號(hào)5(2+1)試樣的抗沖擊強(qiáng)度為0.0345KJ/m 2，試樣的抗沖擊性能提高了42.56％。編號(hào)6(3+1)試樣的抗沖擊強(qiáng)度為0.0324KJ/m 2，試樣的抗沖擊性能提高了33.88％。經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，多層結(jié)構(gòu)單元的增加，提高了復(fù)合材料材料抗沖擊性能。這是因?yàn)槠郊y結(jié)構(gòu)給予了復(fù)合材料的吸收能量的有效面積更大，故表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖擊性能。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)不同比例的多層單元組織結(jié)構(gòu)、平紋單元組織結(jié)構(gòu)制備復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體復(fù)合材料,并與多層增強(qiáng)體復(fù)合材料、四層平紋增強(qiáng)體層壓復(fù)合材料、六層平紋增強(qiáng)體復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能對(duì)比，結(jié)果顯示：

對(duì)于拉伸性能；復(fù)合多層增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)中的平紋組織結(jié)構(gòu)單元可以提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，配入平紋的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相對(duì)于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能提高了40.35％～81.67％。配入平紋結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之所以可以提高材料拉伸性能，是因?yàn)閷?duì)于平紋織物來說，經(jīng)紗與緯紗配比一致，其纖維的整體趨向于伸直狀態(tài)，使得經(jīng)紗在承擔(dān)經(jīng)向拉伸載荷時(shí)直接受力，因此經(jīng)向拉伸強(qiáng)度優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

對(duì)于彎曲性能；復(fù)合的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的平紋單元可以提高材料的抗彎曲能力，配入平紋的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相對(duì)于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能提高100％～181.81％。配入平紋結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之所以可以提高材料的彎曲性能，是因?yàn)閺澢芰榧喚€的垂直方向，受到彎曲作用力時(shí)，平紋組織經(jīng)緯紗交織點(diǎn)最多，經(jīng)緯密度相對(duì)較大，受彎曲力時(shí)承受彎曲力的紗線多，所以抗彎強(qiáng)度要優(yōu)于多層織物。

對(duì)于沖擊性能；復(fù)合的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的平紋組織結(jié)構(gòu)單元可以提高材料的抗沖擊能力，配入平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣相對(duì)于多層復(fù)合材料的試樣抗沖擊性能提高33.88％～42.56％。配入多層組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之所以可以提高材料拉伸性能，是因?yàn)槎鄬咏M織結(jié)構(gòu)給予了復(fù)合材料的吸收能量的有效面積更大，故表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖擊性能。

總的來看，通過多層組織結(jié)構(gòu)單元和平紋組織結(jié)構(gòu)單元搭配的增強(qiáng)體制備的復(fù)合材料，對(duì)比原有的層壓復(fù)合材料及多層復(fù)合材料的力學(xué)性能都有改善，可提高材料的力學(xué)性能。其中，在拉伸測(cè)試中，平紋組織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度；在彎曲測(cè)試中，平紋組織結(jié)構(gòu)提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎曲性能；沖擊測(cè)試中，平紋組織結(jié)構(gòu)也提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊性能。故此，對(duì)復(fù)合組織結(jié)構(gòu)的多層增強(qiáng)體制備復(fù)合材料進(jìn)行研究，可以一定的改善多層復(fù)合材料的綜合性能，讓多層復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展。

本發(fā)明復(fù)合多層增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可滿足工程領(lǐng)域?qū)Χ鄬訖C(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料較高的性能需求，同時(shí)，也為復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能影響提供了理論與設(shè)計(jì)依據(jù)。

以上所述的實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。

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具有復(fù)合增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法.pdf