張博明,李 嘉,李 煦
(北京航空航天大學 材料科學與工程學院,北京 100191)
纖維增強樹脂基復合材料(FRP)因其比強度和比模量高、耐腐蝕、抗疲勞性、減震性能好等優(yōu)點,已經(jīng)在航天航空、汽車、船舶、化工、電子和建筑等行業(yè)中得到廣泛的應用[1,2]。混雜纖維復合材料的概念最早起源于日本,1972年由日本的Hayashi[3]提出并展開研究,旨在彌補單一纖維增強存在的缺點和不足?;祀s纖維的組合形式不僅可以彌補單一纖維的缺點,還能夠在滿足使用載荷的前提下,大幅降低材料的成本,研究表明,碳纖維/玻璃纖維混雜復合材料不僅具有高的斷裂延伸率(相對CFRP),且其中碳纖維發(fā)揮的拉伸強度要比在CFRP中高出40%以上[4]。所謂最優(yōu)纖維混雜比例,是指通過調(diào)節(jié)混雜纖維中兩種或多種纖維的比例,得到最優(yōu)化的結(jié)果,此結(jié)果一是兼顧材料的強度、剛度和韌性等,使其性能最優(yōu),同時還要兼顧材料的成本、使用壽命等,使其在全壽命周期內(nèi)成本最優(yōu)。
混雜纖維復合材料相較傳統(tǒng)單一纖維增強的復合材料具有其明顯的優(yōu)勢,尤其是在力學性能方面尤為突出,國內(nèi)外學者對混雜纖維復合材料的力學性能進行研究時發(fā)現(xiàn):不同纖維之間混雜后產(chǎn)生的混雜效應可讓纖維之間揚長補短。以玻璃纖維和碳纖維混雜為例:玻纖與碳纖體積比為2的混雜纖維復合材料(HFRP)的斷裂應變比CFRP高30%~50%;玻璃纖維復合材料的模量一般較低,但如引入50%的碳纖維作為表層,復合成夾芯形式,其模量可達到碳纖維復合材料的90%;玻璃纖維復合材料疲勞壽命為非線性遞減,如引入50%的碳纖維,其疲勞壽命將轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性遞減,其循環(huán)應力也有較大的提高[5-7]。
此外,HFRP還會改善構(gòu)件的抗沖擊性能、蠕變性能、疲勞性能等。Park等[8]在研究4層芳綸纖維/玻璃纖維混雜復合材料的沖擊性能時,發(fā)現(xiàn)當芳綸纖維在底層時,表現(xiàn)出較單一玻璃纖維增強復合材料更高的沖擊能。Maksimov等[9]研究了不同體積含量的芳綸/玻璃纖維混雜復合材料的蠕變性能,在保持700MPa連續(xù)的力蠕變5.7年后,復合材料中玻璃纖維的應力增加了1.85倍,芳綸纖維的應力下降了10%,表明在芳綸纖維中混入玻璃纖維,可以有效地抑制蠕變。Cavatorta[10]對玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料疲勞性能進行研究表明,混雜纖維復合材料的抗疲勞性能較單一纖維增強復合材料更優(yōu)。
混雜纖維不僅可以混雜傳統(tǒng)意義中的有機無機合成纖維,同時可以混雜植物纖維,既可以彌補植物纖維強度低、吸濕率高的劣勢,還可以使復合材料獲得意想不到優(yōu)異特性,如Rout等[11]用7%的玻纖與13%的椰子殼纖維增強聚酯樹脂,不僅提高了構(gòu)件的彎曲強度,而且使構(gòu)件的吸濕性降低。
混雜纖維復合材料能夠有效地彌補單一纖維增強復合材料所存在的缺點,是復合材料將來的發(fā)展趨勢之一。但是混雜纖維增強復合材料同時也存在相應的問題,如混雜區(qū)域、混雜均勻性等,不均勻的混雜區(qū)域或者局部的單一纖維堆積,往往會導致復合材料整體性能不一,容易出現(xiàn)局部的層間破壞或局部微裂紋;混雜纖維比例的不恰當也會導致構(gòu)件在增加某一項性能時,過多地降低了其他的性能,導致構(gòu)件顧此失彼;混雜比例的不當還會導致過高的成本而使構(gòu)件在實際使用過程中受到限制。因此控制混雜纖維復合材料的工藝和合適的混雜比例是混雜纖維復合材料保持優(yōu)異性能的前提,其中尤為突出的便是混雜比例,如何確定一個最優(yōu)的纖維混雜比例,不僅關系到構(gòu)件的力學性能,同時關乎成本,在實際工程應用中,往往是兼顧兩者之間的關系,擇優(yōu)選擇,即最優(yōu)纖維混雜比例的確定。
混雜纖維復合材料的研究早期主要集中于玻璃纖維與碳纖維的混雜,以提供復合材料更強的力學性能,并彌補碳纖維斷裂延伸率低和價格昂貴的缺點。性能研究的基礎是混雜纖維的混雜效應,Manders[12,13]對CFRP/GRPF混雜復合材料試樣進行拉伸試驗研究,概括出如圖1所示的強度與混雜比的關系。圖1(a)中AD線對應相關混雜比例下的HFRP理論拉伸強度,A點、D點分別代表純GFRP和純CFRP的拉伸強度。CFRP體積含量在C點以前時,由于碳纖維的延伸率低,其先斷裂,碳纖維斷裂后載荷傳給玻璃纖維,由玻璃纖維承載直到整體失效。即在C點以前,材料呈多級破壞模式,典型拉伸應力-應變曲線會出現(xiàn)線性段和曲線段;CFRP體積含量在C點以后,碳纖維首先斷裂后,玻璃纖維的體積分數(shù)相對較少,承載能力較低,混雜纖維復合材料呈現(xiàn)單級破壞模式,典型拉伸應力-應變曲線只包含線性段,如圖1(b)所示。即混雜纖維復合材料存在“混雜效應”。
圖1 混雜纖維復合材料的混雜效應 (a)混雜纖維復合材料理論強度;(b)C點前后的典型應力-應變曲線Fig.1 Hybrid effect of hybrid composites (a)theoretical strength of HFRP;(b)typical stress-strain curves before and after point C
Marom等[14]對CFRP/GFRP混雜復合材料進行了研究表明,混雜效應發(fā)生的前提條件是兩種纖維不僅在力學性能上要有差異,而且它們各自與基體形成的界面性能也要不同。在此基礎之上,混雜纖維復合材料的性能延伸出了很多理論模型來預測混雜纖維復合材料的力學性能。最典型的就是斷裂力學模型[12,13]、微觀力學模型[15]、斷裂能模型[16]和隨即臨界核模型[17]?;谶@一系列的理論,學者們展開了最優(yōu)混雜比例的理論研究和實驗研究。
在理論研究方面,Nordin等[18]研究了混凝土板和混雜纖維工字梁組合結(jié)構(gòu)的強度理論,其中工字梁為拉擠工藝成型,增強體為碳纖/玻纖混雜纖維,碳纖維主要分布在梁的上下面板區(qū)域。針對碳纖維和玻璃纖維混雜區(qū)域,定義了一個轉(zhuǎn)化因數(shù)α:
其中,EC表示混凝土的彎曲模量;EGFRP和ECFRP分別表示玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料的彎曲模量。
使用平行軸定理和轉(zhuǎn)化因數(shù)可得到慣性矩I:
其中EIflex表示混合結(jié)構(gòu)風度,推導可得到理論剛度:
其中:
其中,δ代表位移;p為加載在梁上的總載荷;L為兩支點之間的距離;a為加載點到支點之間的距離,Aweb代表橫截面積;kδV為制造商提供的常數(shù)。通過碳纖維與玻璃纖維混雜構(gòu)件的理論剛度值以及對剛度值和構(gòu)件尺寸的設定,可以推導出碳纖維的最佳含量。
陳汝訓[19]研究了碳纖維與玻璃纖維層間混雜復合材料拉伸性能,得到了纖維臨界體積分數(shù)的計算公式,當存在剛度要求時:
當存在壓縮強度要求時:
其中,E1,E2和E0分別表示纖維1,2和基體的拉伸模量;Vf為纖維的總體積含量。通過兩個公式的綜合使用,可以得到滿足所需性能的最低碳纖維含量。
在實驗研究方面,汕頭大學[20]對 CF/GFHFRP的合理混雜比進行了實驗研究,采用大試件測得了HFRP試件的應力-應變曲線,對于實驗所選用的材料(CF與高強GF)而言,CF體積分數(shù)為0.198和0.247的兩種HFRP強度高,延性好,且價格低,僅剛度略低,匹配相對合理。鄧宗才[21]在研究玻璃纖維與有機纖維混雜增強混凝土的彎曲疲勞特性時發(fā)現(xiàn),玻璃纖維摻量2.7kg·m-3與有機纖維摻量1.3kg·m-3混摻時,混雜纖維混凝土疲勞強度比素混凝土提高35.0%,即混雜纖維能充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢,對改善混凝土的疲勞性能比單摻玻璃纖維和有機纖維的作用都顯著。此外,張小東[22]、趙洪凱[23]、Hayes[24]、Barjasteh等[25]分別對混雜纖維復合材料在拉伸狀態(tài)、彎曲狀態(tài)、受熱狀態(tài)下的最佳混雜比例進行了研究,得出了相應的最佳混雜比例。
目前對于滿足最佳力學性能的混雜比例的研究,多是先通過理論計算,再通過實驗驗證的方式得到。通過對混雜纖維復合材料的剛度、強度等性能進行理論計算和實驗,可靈活搭配出滿足工程應用的構(gòu)件。
最優(yōu)性能混雜比例的控制主要是為了獲得優(yōu)異的構(gòu)件性能,并沒有過多地考慮成本。但是在混雜過程中,過多地引入性能好的纖維雖然會大幅提升構(gòu)件的力學性能,但同時也會增加成本,得不償失。最優(yōu)的混雜比例,同時也是構(gòu)件力學性能與成本之間的博弈,使其不僅能夠保證復合材料構(gòu)件優(yōu)異的力學性能,滿足工程應用要求,同時最有效的控制成本,達到成本與性能的雙贏。
對于成本與性能的研究,往往在實驗的基礎上加入相應的有限元模擬,來減少實驗的工作量,節(jié)約成本。Deskovic等[26]在此領域起步較早,他們測試了一個盒形GFRP梁與CFRP和混凝土結(jié)構(gòu)組合使用,CFRP粘接在GFRP下翼板,混凝土固定在梁上翼板。通過實驗、理論分析和有限元分析的方法,證明了混雜纖維復合材料和混凝土結(jié)構(gòu)共同使用時,可以達到性能和價格的充分有效利用。
此后,Pedro等[27]針對相同的結(jié)構(gòu),設計研究了一個12m長的單跨橋,其中梁結(jié)構(gòu)采用拉擠工藝生產(chǎn)的玻纖增強復合材料工字梁??紤]在工字梁底部粘貼碳纖維復合材料來增加構(gòu)件的剛度,通過實驗和有限元模擬,分析計算了不同厚度的碳纖維片材和不同厚度的GFRP工字梁制件相互組合,當使其達到相同的性能時,在玻璃纖維底面粘貼預應力碳纖維片層復合材料,獲得同等性能時制品的總成本較純玻璃纖維復合材料制品成本降低40%,見示意圖2(a)和成本圖2(b),圖2(b)中(Ⅰ)為純 GFRP制件的成本,(Ⅱ)為GFRP粘接GFRP板的成本,(Ⅲ)為GFRP粘接CFRP板的成本。最終Pedro等確立了使用450mm×200mm×80mm GFRP工字梁粘接0.4mm預應力CFRP來作為橋梁結(jié)構(gòu)。
Sorina等[28]也對此結(jié)構(gòu)進行了相應的研究,但并沒有使用粘貼的方式,而是使用拉擠工藝將玻璃纖維和碳纖維混雜在一起,其中,碳纖維主要分散區(qū)域為上下翼板。最終結(jié)果表明,混入20%的碳纖維,使構(gòu)件的整體剛度提升了近40%,同時可以有效控制成本。在此基礎上,Sorina還發(fā)展了相應的理論來均衡性能與成本的關系,定義了一個參數(shù)Km來表示制品性能提升與材料價格提升之間的關系。
圖2 混雜纖維復合材料混雜區(qū)域及成本(a)混雜區(qū)域及形式;(b)不同混雜形式成本對比Fig.2 Mixed region and cost of hybrid composites(a)costs of different hybrid forms;(b)hybrid area and form
式中:Δp為加入碳纖維導致的價格增加;ΔKxx為加入碳纖維導致的剛度增加;φ為任意參量(體積含量、性能等)。
當φ為體積含量時可以得到:
式中:Kca為加入碳纖維后的剛度;Pca為碳纖維加入后的價格;E為模量;I為慣性矩;ρ為密度;p為一公斤纖維價格;S為纖維面積。下標ca,gl分別代表加入碳纖維和純玻璃纖維復合材料。
當Km>1時,認為是最佳的性能與價格比,依此可以計算出相應的碳纖維的體積含量。這種方法是一種簡單的數(shù)值計算法,其存在很多不足和值得商榷推敲的地方,因此,還有待提出更好的權(quán)衡價格與性能的計算公式。
目前,國內(nèi)外混雜纖維復合材料的應用形式主要由以下四種:
(1)不同纖維以鋪層方式混雜;(2)一種纖維拉擠型材與另一種纖維鋪層共固化;(3)兩種纖維通過拉擠工藝混合;(4)一種纖維拉擠型材與另一種纖維型材膠接。其混雜的區(qū)域位置包括夾芯混雜型、層間混雜型、層內(nèi)混雜型、層間并層內(nèi)混雜型和肋條增強型。
混雜纖維復合材料最早主要是應用于航空航天領域,如衛(wèi)星導彈等,要求復合材料低的熱膨脹系數(shù),多采用玻纖/碳纖混雜,如20世紀70年代中期美國在Sprint導彈發(fā)動機殼體上采用了Kevlar249、碳纖維混雜復合材料,使發(fā)動機的剛度和抗彎、抗壓能力明顯得到提高;美國海軍F-14機翼表面的整流裝置使用CF/GF織物混雜復合材料制作,使飛機減重25%,節(jié)約費用40%。目前,俄羅斯等國家也已經(jīng)開始對米格-29等機型所使用的碳纖維復合材料進行改進,通過混雜的方式,以期降低成本。商用飛機更是大量使用混雜纖維復合材料,如下圖3為商用航空飛機機翼蒙皮使用混雜纖維復合材料[29]。
圖3 商用飛機機翼蒙皮Fig.3 Wing skins of commercial aircraft
20世紀80年代開始,伴隨著復合材料型材在土木建筑領域的大量使用,混雜纖維復合材料也開始廣泛應用于土木建筑?;祀s纖維復合材料最早在橋梁中使用是2001年施工的日本沖繩島大橋,使用玻纖/碳纖混雜纖維作為橋體的橫梁結(jié)構(gòu)[29];此后,美國的Tom’s Creek大橋使用混雜纖維;Arvid等[30]在2005年進行歐洲ASSET項目研究時,設計并建造了一座全FRP橋梁,橋梁尺寸7m×10m。橋梁使用四個方形GFRP拉擠型材黏結(jié)在一起,在上下表面使用真空輔助工藝將45層單向碳纖維混合7層玻璃纖 維 (鋪 層:1G/6C/1G/6C/1G/6C/1G/6C/1G/7C/1G/7C/1G/7C)與GFRP拉擠桁共固化在一起,使其剛度提升了近50%;Mendes等設計研究了一個12m長的單跨橋,其中梁結(jié)構(gòu)采用拉擠工藝生產(chǎn)的玻璃纖維復合材料工字梁,并在底面板粘貼碳纖維片材。
除此之外,混雜纖維復合材料在其他領域也有著很廣泛的應用,如美軍士兵使用的未來部隊勇士(Future Force Warrior,簡稱FFW)帽子[31],見圖4。采用碳纖維和芳綸纖維混雜,不僅強度高,而且耐沖擊性能優(yōu)異;碳纖維還可與記憶性金屬纖維等組合成新型具有記憶性的形狀記憶復合材料;玻纖/碳纖混雜復合材料在風力發(fā)電領域也有著廣泛的應用;在汽車領域,GEC阿爾斯通公司/SNCF(法國鐵路)使用CF/GF強化環(huán)氧樹脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯制造雙層大容量高速客車,并將軸重保持在17t,與單層高速客車水平相同。
圖4 美國軍用FFW帽子Fig.4 FFW cap used in army
混雜纖維復合材料較單一纖維增強復合材料具有明顯的優(yōu)勢,是目前發(fā)展的重點方向之一。尤其是在土木建筑領域,不僅需求量大,而且強度、剛度的提高對建筑物的使用具有重要影響,可以顯著增加建筑物的使用壽命和承載性能。對于混雜纖維最佳混合比例的研究目前也主要集中于這一領域。在其他領域如汽車、船舶、電子電器等,合理的搭配纖維的混雜比例可以有效地降低成本,可以有效地統(tǒng)籌協(xié)調(diào)制品的價格與性能。對于混雜纖維復合材料的發(fā)展,還存在一些可以研究和改進的空間,其存在的問題主要有:
(1)目前對于混雜纖維的研究和混雜效應的研究多集中于兩種纖維混雜,國內(nèi)外鮮有3種或3種以上的連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的研究報道。
(2)對于混雜纖維價格和性能的綜合考慮研究目前相對較少,現(xiàn)存理論模型簡單,不能精準地確定最優(yōu)混雜比例,需要對理論模型進行進一步的開發(fā)。
(3)連續(xù)型材的生產(chǎn)多依賴于拉擠成型工藝,但對于拉擠成型工藝中纖維的混雜區(qū)域位置和混雜分散性的好壞對于構(gòu)件性能的影響的相關研究較少,需要對其進行進一步的系統(tǒng)研究,以期獲得可廣泛使用的生產(chǎn)和混雜工藝。
(4)國內(nèi)對于混雜纖維的研究較多,但是實際應用較少,還存在很多可以借鑒學習的地方,此外,開拓混雜纖維在民用基礎領域的應用,可以降低成本,提高性能。
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