蒲桃红 马静月
广安职业技术学院，638000 ? 四川省广安市
摘要：三维机织复合材料属于三维纺织结构复合材料的其中一种类别，且其尺寸稳定性好，能够形成较高的纱线堆积密度，增强材料厚度方向的力学性能。而玄武岩纤维则是高性能的纤维，环保且拉伸强度高，吸水性能低，被称为21世纪高技术纤维[1]。本文以玄武岩长丝为经、纬纱，经过合理设计，织造正交结构，贯穿联锁结构的三维机织物，制备不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料。通过对材料的拉伸、弯曲性能做测试，分析两种结构复合材料的力学性能。
关键字：三维机织；玄武岩纤维；复合材料；力学性能
一、绪论
玄武岩纤维在我国被认为继碳纤维、芳纶与高相对分子质量聚乙烯之外的第四种高技术纤维。传统纤维增强复合材料多是单层纤维布压制而成，材料层间剪切强度低，在反复冲击下易裂，若采用缝编方法提高其强度，易刺伤纤维和影响材料的力学性能[2]。三维纺织复合材料是一种先进的结构复合材料，在厚度方向存在交织纤维束，整体受力性能好。三维机织复合材料的力学与物理性能使其成为一种重要的结构材料，也吸引着国内外的大量学者对其进行科学研究。在力学性能研究方向上有代表性的Tan[3]等研究三维正交机织碳纤维复合材料经纬方向准静态拉伸模量，泊松比等。本文通过合理设计，选取正交结构和贯穿联锁结构两种不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料为研究对象，测试它们经纬向拉伸和弯曲性能。
二、三维机织玄武岩纤维织物的设计与织造
本文设计的两种织物组织均可在普通小样织机上完成织造，操作比较简单，成本低，无需专门的三维织机。
（一）研究原材料与设备的选取
玄武岩纤维是以天然玄武岩纤维矿石作为原材料，将其先破碎再通过千摄氏度的高温熔炉进行熔融，然后由铂铑合金拉丝漏板抽丝而成[4]。玄武岩纤维在力学性能可与芳纶等高性能纤维媲美，性价比也高。综合考虑，选用600tex有捻玄武纤维为经纱，较低捻度可增加其集束性和可织性；纬纱则用2000tex无捻玄武纤维，纬纱特数高可保证机织物的厚度，也不影响纤维的织造。设备上照前人的基础，本文的两种三维织物可在普通织机织造，即选用Y100S操作简便的小样织机稍加改造即可。
（二）织物的设计和织造
通常依据应用场合对厚度的要求进行结构设计。首先选取适当的经纬纱层数，随后做织物经向或纬向截面示意图，以此确定各层经纬纱的交织规律[5]。
正交结构中织物层数以纬重数N表示，完全组织经纱循环数Rj=2*(N-1)+2纬纱循环数Rw=2N。本文中N=5，即Rj=Rw=10。
贯穿角联锁织物组织设计时，使两根相邻的经纱斜交叉口均只织入一根纬纱，那么纬重数N与织物组织经纱循环数、纬纱循环数之间的关系为织物层数以纬重数N表示，则Rj=N+1，Rw=N*Rj=N*(N+1)。本文中本文中N=5，即Rj=6，Rw=30。
设计好之后，首先是开始织造的准备工序，依次绘制织物穿综图、穿筘图与纹板图，两种结构上机的织造工序基本无差别，都须经整经、穿综、穿筘、织造，最后下机。织造过程中为使两种不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料之间力学性能有可比性，将其参数都设为一致；整经完毕后接着穿综，据各自特点，正交选照图穿法，贯穿则是顺穿法，均需8页宗框；穿筘基本原则是---同一筘齿不宜出现不同层次间不同纱线的上下翻动现象[6]，所以对经纱编号前，需据织物结构中每根纱线的屈曲交织情形进行分类，相同的屈曲交织情形的纱线传入到一个筘齿中；最后钉纹板时，要严格按照纹板图钉。弄清楚在样机上的走向，走向为逆时针，则采用自左向右、由上而下的方法。
（三）小结
综上所述以玄武岩纤维长丝为经、纬纱，设计了正交结构和贯穿角联锁结构两种三维机织物组织，以Y100S的普通小样织机改造，上机成功织造两种三维机织物玄武岩纤维织物，高效率低成本，且制造的三维机织物外观平整，整体厚度适中。
三、三维机织玄武岩纤维复合材料的制备
将织造完成的两种结构的三位织物与树脂基体复合，制备不同的三维机织玄武岩纤维复合材料。
（一）材料及设备的准备
接上个过程所得的两种纤维织物；适用于纤维缠绕、拉挤等各种复合材料工艺的树脂（一种外观微黄至淡黄的液体，聚合抗水性与机械性能良好，且强度高）；溶于水的固化剂---过氧化甲乙酮，且性价比高，易与树脂混合；辛酸钴促进剂。设备是VARTM成型系统。
（二）固化成型与工艺大致步骤
三维机织物与树脂的复合选用的是真空辅助树脂传递模塑（VARTM）成型的工艺，是一种低成本成型技术[7]。原理是在真空条件下排除纤维增强材料中的空气，同时利用树脂流动性与真空带来的负压力，使得树脂渗透纤维及其织物增强材料，最终在常温下固化成型，制得复合材料制品[8]。此工艺对制件不施加压力，亦不会改变织物原结构。
步骤大致为---先将织好的增强织物处理干净，在玻璃板上涂脱模剂，再依次备好织物、脱膜布、导流网，用真空袋和密封胶把整个模具密封；启动真空泵，检查明模腔是否漏气，合格后才可以注入树脂，否则会出现气泡影响复合材料性能；确定好树脂用量，将其与固化剂及促进剂安配比量取，混合时，边加边搅拌至均匀；随后打开导流管上的夹子，模具中注入树脂，使其平稳均匀的浸透，树脂成型体后夹紧导流管，开始进入固化阶段，时间为6个小时左右；固化完成后，即关闭真空泵，拆掉真空袋、导流管与脱模布，最后取下复合材料。
（三）小结
上述采用VARTM复合材料成型工艺制备两种不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料，所得材料表面平整且气泡少，可用其研究三维机织玄武岩纤维复合材料的力学性能。
四、三维机织玄武岩纤维复合材料力学性能的研究分析
（一）拉伸性能的测试及分析
沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直至其断裂或达到预定伸长。
（二）弯曲性能的测试及分析
采用无约束支撑，通过三点弯曲，以恒定加载速度使试样破坏或达到预定的挠度。依据弯曲、拉伸的性能指标可以得出拉伸强度正交结构的比较强，而贯穿角联锁结构较弱，这是由于正交中经纬纱均为伸直状态，没有屈曲，均匀受力，这对顺纤维方向的拉伸很是有利。正交的纤维体积含量最大，承担拉伸应力的纤维越多，即拉伸强度越大，弯曲强度受纤维体积含量的影响。
（三）小结
以上所述测试了所制备的两种不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料的拉伸和弯曲性能，并对比分析了力学性能差异。
五、总结
本文通过对三维机织玄武岩纤维复合材料的制备与其力学研究分析，采用VARTM）成型工艺制备了正交与贯穿联锁结构的两种三维机织玄武岩纤维复合材料，且在实验机上对材料的拉伸、弯曲能进行了测试，并进行对比分析两种结构力学性的差异与影响，实验与分析结果也丰富了三维机织复合材料的力学性能数据库。
参考文献：
[1]吕丽华,魏春艳,赵欣,李晓宁.智能三维机织玄武岩纤维复合材料的制备[J].棉纺织技术,2011:16-18.
[2]刘桂彬. 三维机织玄武岩纤维复合材料的制备及力学性能研究[D]. 2015.
[3]Tan P,Tong L,Steven GP and Ishikawa T.Bechavior of 3D orthogonal woven CFRP composites·Part I.Experimental investigation.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2000,31(3):259-271.
[4]胡显奇，陈绍杰.世界复合材料现状及其连续玄武岩纤维的发展良机[J].高科技纤维与应用，2005,30(3):9-12.
[5]唐予远,赵连胜,丁辛.三维机织预成形件的设计与试织眠纺织技术,2009,37(9):517-522.
[6]Hu JL,Jiang YM.Moedeling formability of MWK fabrics On a hemisphere.Composites,PartA:applied science and manufacturing,2002,33(5):725-734.
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[8]黄根来.孙志杰.王明超.张佐光.玄武岩纤维及其符合材料基本力学性能实验研究[J].2006.01-07.