浅谈多轴向织物复合材料的顶破性能研究与发展

殷希 黄瑶瑶

摘要：进入21世纪，各行各业对于材料的要求越来越高，传统的单一材料已不能满足社会的实际需求，所以为了适应发展的需要，人们将两种或两种以上的材料通过复合的方法使材料间功能互补，从而大大提升材料的综合使用性能，而多轴向经编涂层织物就是其中一种理想的建筑材料。由于多轴向经编涂层织物具有较高的承载力、耐疲劳性，因此适用于大跨度空间建筑材料，如大型体育场、博览会馆、机场、车站、购物中心以及救灾临时建筑等。在使用过程中，涂层织物会受到很多方向力的作用，其中就包括顶破作用。本文对多轴向经编聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）、热塑性聚酯弹性体（TPEE）涂层织物的顶破性形态和失效机理进行了研究。在CRT材料试验机上分别对3种涂层织物进行了准静态顶破实验测试，通过观察顶破过程中涂层织物材料的变形，找出3种涂层织物形变时的异同点。并对实验所得的载荷-位移曲线进行了分析讨论，说明了材料在顶破载荷作用下的失效机理以及不同涂层对织物顶破性能的影响。结果显示，涂层织物的顶破强力主要取决于增强织物，但破坏机理与涂层材料有很大关系。

关键词：多轴向经编;涂层织物;顶破性能

进入21世纪，各行各业对于材料的要求越来越高，传统的单一材料已不能满足社会的实际需求，所以为了适应发展的需要，人们将两种或两种以上的材料通过复合的方法使材料间功能互补，从而大大提升材料的综合使用性能，而多轴向经编涂层织物就是其中一种理想的建筑材料。由于多轴向经编涂层织物具有较高的承载力、耐疲劳性，因此适用于大跨度空间建筑材料，如大型体育场、博览会馆、机场、车站、购物中心以及救灾临时建筑等。在使用过程中，涂层织物会受到很多方向力的作用，其中就包括顶破作用。

目前对涂层织物顶破性能已经有大量的研究，主要集中于不同材料、不同结构、不同顶破形式对涂层织物的顶破性能的影响，以及顶破强力方面的分析。如徐文建通过对比不同密度的基布、不同涂层厚度、不同涂层树脂的经编双轴向复合材料的顶破性能，得出织物密度、涂层厚度以及涂层树脂与顶破强力之间的关系;徐英研究了经编双轴向涂层织物在顶头顶破和尖头顶破下织物的力学特性和破坏形式;陈培伟研究了平面四轴向机织物的顶破性能，得出了平面四轴向机织物与叠层四向机织物和常规织物之间的顶破性能的优劣;朱静等对织物的刺破与顶破测试方法进行了对比，得出刺破比顶破容易，但低速对刺破强力和顶破强力的影响不显著;储才元对非织造布的顶破强力进行了估算;张天阳等研究了机织物顶破过程有限元的分析。但是对多轴经编织物增强的涂层织物研究较少，本文主要探讨分别以PE、PU和TPEE为涂层材料，在相同增强体下经编多轴向涂层织物的顶破性能和破坏形式。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验采用的3种涂层织物的基体分别为聚乙烯（PE）、聚胺脂（PU）和热塑性聚酯弹性体（TPEE），其增强材料均为涤纶（PET）且增强纤维是由铺层得到的，因此纤维之间没有交织。四层平行无卷曲的纱线按照0°、90°、±45°规定角度交错排列，再使用捆绑纱使其固定。其中0°、90°、±45°方向增强纱线的规格为1000D/192f，捆绑纱线的规格为55/72 dtex DTY，未涂层时织物增强体的克重为217g/m2，厚度为0.138 mm，幅宽为1.27m。涂层后3种涂层材料的规格参数。

1.2 实验方法

实验按照ASTM D3787-07（2011）标准执行，采用顶头顶破的方法来测试材料的顶破性能。实验所用的设备为CRT试验机。将试样牢固地夹持在夹具上，固定后开启试验机，以300mm/min的速度进行顶破实验测试。顶破测试为每组单独3个独立试样，试样采用直径为125mm圆形试件。

2 实验结果与分析

2.1 顶破的破坏形式

3 种涂层织物顶破前后的破坏形态，3种涂层织物的增强织物规格相同并且排列紧密，顶破后3种增强织物的纱线均彻底断裂，涂层受到不同程度的破坏。3种材料中PE涂层织物的破坏最为明显，TPEE涂层材料的穿透破坏不明显，PU涂层材料的破坏程度介于两者之间。这是因为顶破后涂层材料中，TPEE材料较硬，弹性变形较少，故其穿透现象不明显。而PE和PU两种材料中由于PU涂层较薄，涂层破坏较快，破坏后恢复性较差，故其破坏比PE涂层织物明顯。

2.2 顶破特征曲线分析

多轴向经编涂层织物顶破破坏的损伤机制可以概括为3个阶段。

起始阶段：顶头刚开始接触多轴向经编织物试样，材料所承受的力较小，因为此时多轴向经编织物表面的应力只存在于与顶头直接接触的一个小区域;同一时刻，织物内部增强体上广泛分布了应力载荷，主要是涂层将顶头对多轴向经编织物的集中载荷均匀分布到其他的受力区域，使得更多的纱线共同承载。

中间阶段：随着顶头进一步前进，多轴向经编织物表面应力传播到较大的区域内，试样逐渐形成一个以顶头的头端为中心的凸起，曲线迅速上升。

最终阶段：随着顶头过程的推进，多轴向经编织物表面的涂层材料首先失效，这主要是由于表面涂层材料的力学性能远远小于内部增强材料。最后顶头头端纱线达到最大拉伸应力后，增强织物遭到破坏，顶头穿透涂层织物，涂层材料被破坏失效。

2.3顶破强力分析与比较

实验中，PE、PU、TPEE涂层织物的顶破强力值及达到顶破强力最大值时的位移。当3种材料达到最大顶破破坏强力时，PE涂层织物的位移最大，PU涂层织物次之，TPEE涂层织物的位移最小。由此说明，PE涂层织物的弹性较PU和TPEE的弹性好一些。，3种材料的最大破坏强力比较接近，说明这3种涂层材料被顶破时所能承受的强力比较接近。

3 结论

本文对多轴向经编聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）、热塑性聚酯弹性体（TPEE）涂层织物的顶破性形态和失效机理进行了研究。在CRT材料试验机上分别对3种涂层织物进行了准静态顶破实验测试，通过观察顶破过程中涂层织物材料的变形，找出3种涂层织物形变时的异同点。并对实验所得的载荷-位移曲线进行了分析讨论，说明了材料在顶破载荷作用下的失效机理以及不同涂层对织物顶破性能的影响。结果显示，涂层织物的顶破强力主要取决于增强织物，但破坏机理与涂层材料有很大关系。

（1）涂层材料的破坏形态与涂层有较大的关系。多轴向经编涂层织物破坏形态明显程度依次是聚氨酯（PU）、聚乙烯（PE）、热塑性聚酯弹性体（TPEE）。

（2）由于多轴向经编织物的表面涂层材料的本身强力较小，在顶破过程中，涂层材料先破裂，增强织物再顶破，涂层材料的强力对顶破的性能影响很小。多轴向经编涂层织物的最大顶破强力与涂层材料关系较小，但与多轴向经编增强织物紧密相关。

（3）多轴向经编涂层织物顶破位移由大到小依次是聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）和热塑性聚酯弹性体（TPEE）涂层材料，且3种涂层织物的顶破强力比较接近。

参考文献：

[1]侯利民.柔性复合材料顶破机理和破坏形态的分析模型[D].上海：东华大学，2017.

[2]徐文建，赵俐.玻璃纤维经编柔性复合材料顶破性能的研究[J].国际纺织导报，2017（1）：70-73.

[3]徐英，胡红.经编双轴向柔性复合材料的顶破性能[J].东华大学学报（自然科学版），2007，33（4）：475-477.

[4]陈培伟，李毓陵，陈旭炜.平面四轴向机织物的顶破性能研究[J].产业用纺织品，2013（10）：19-23.