鋪層取向角度對黃麻纖維復(fù)合材料性能的影響1)

劉誠　范豪　花軍　吳昊

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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鋪層取向角度對黃麻纖維復(fù)合材料性能的影響1)

劉誠范豪花軍吳昊

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

基于真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝，研究不同鋪層取向角度對黃麻纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：單向鋪層取向時，隨著鋪層取向角度的增加，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度呈近凹拋物線形變化，并在取向角為90°時達(dá)到最大值；彎曲強(qiáng)度呈近凸拋物線形變化，并在取向角為60°時達(dá)到最大值。雙向鋪層取向時，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均呈波浪形變化，其最大值分別在取向角為±75°和±45°時獲得。綜合對比單、雙向鋪層，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度在單向取向角為90°鋪層取向時達(dá)到最大值，為78.26 MPa；而復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度在雙向取向角為±45°時達(dá)到最大值，為89.82 MPa。

鋪層取向角度；黃麻纖維；VARTM工藝；復(fù)合材料；力學(xué)性能

During the VARTM process, we studied the effect of the different ply orientated angles on the mechanical properties of the jute-cloth-reinforced epoxy resin composites. When the unidirectional ply orientation was used, the tensile properties showed nearly a “concave parabolic” variation with the increase of angle and the best tensile property reached the maximum at the 90° ply orientation. The flexural properties showed nearly a “convex parabolic” variation, and the flexural property reached the maximum at the 60° ply orientation. When the bi-directional ply orientation was used, the tensile properties and flexural properties all presented nearly a “wave line” variation, meanwhile the maximum values of tensile properties and flexural properties were obtained at ±75° and ±45°, respectively. Compared the unidirectional with the bi-directional ply orientation, the tensile property reached the maximum value at 90° for the unidirectional ply orientation, with the value of 78.26 MPa. While the flexural property reached the maximum value at ±45° for the bio-directional ply orientation, with the value of 89.82 MPa.

麻纖維質(zhì)輕價廉、可降解，且有較高比強(qiáng)度和比模量，力學(xué)性能與玻璃纖維相當(dāng)[1],在某些工程領(lǐng)域可作為增強(qiáng)體制備樹脂基麻纖維復(fù)合材料[2]。真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝是一種新穎的復(fù)合材料成型工藝，它主要利用真空負(fù)壓排除模具內(nèi)纖維中的氣體，并實(shí)現(xiàn)樹脂對纖維浸潤，使纖維與樹脂達(dá)到良好的結(jié)合[3]。利用VARTM工藝制備麻纖維復(fù)合材料時，纖維在模具內(nèi)的鋪層取向角度會對樹脂流動的前沿路徑產(chǎn)生較大的影響，取向角度選取不當(dāng)可能造成樹脂填充不均勻進(jìn)而出現(xiàn)干斑或氣泡等缺陷，影響復(fù)合材料的質(zhì)量和性能[4]。目前關(guān)于纖維鋪層取向角度對復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究主要集中于玻璃纖維和碳纖維領(lǐng)域，而對天然麻纖維的關(guān)注較少。如Juan E. Carrion等在VARTM工藝下制備了聯(lián)接方形管的單片玻璃纖維復(fù)合套管，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了沿纖維方向鋪層的套管具有較高的力學(xué)性能[5]。劉國春等針對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)損傷的鋪層角度偏差建立階梯挖補(bǔ)結(jié)構(gòu)模型，并分析了整體鋪層方向偏移的拉伸強(qiáng)度[6]。卞航等采用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計方法研究了鋪層角度偏差對某厚度曲面結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料固化變形的影響[7]。

為研究VARTM工藝條件下鋪層取向角度對天然麻纖維復(fù)合材料性能的影響，筆者通過設(shè)置單、雙向黃麻纖維布不同鋪層方式共13組實(shí)驗(yàn)，對比了單、雙向不同鋪層方式對復(fù)合材料制件拉伸和彎曲性能的影響，并利用電鏡分析樹脂與纖維體的結(jié)合情況。結(jié)果表明，通過選取合理的鋪層取向角度可改善樹脂流動情況，從而得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

1　材料與方法

1.1材料

黃麻纖維布，美克紡織有限公司；環(huán)氧樹脂(EPOLAM5015)、固化劑(5014)、脫模劑(19SAM)、真空輔材均購于北京科斯拉科技有限公司沈陽分公司；氫氧化鈉，天津瑞金特化學(xué)產(chǎn)品有限公司。

1.2設(shè)備及儀器

恒溫水浴槽SY1210；國產(chǎn)旋片式真空泵XD04；附表式樹脂收集罐；DHG101烘干箱；CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.3方法

1.3.1樹脂基體的制備與黃麻纖維布的預(yù)處理

按m(環(huán)氧樹脂)∶m(固化劑)=100∶34將材料進(jìn)行配比。實(shí)驗(yàn)所使用的黃麻纖維布經(jīng)緯線均為纖維絲組成的纖維束編織而成，每層纖維布尺寸規(guī)格為40.0 mm×20.0 mm×1.2 mm，面密度為320 g/m2。將配好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液加入到水浴鍋內(nèi)，將裁剪好的黃麻纖維布在60 ℃恒溫水浴鍋中浸泡處理3 h，風(fēng)干后在烘箱內(nèi)60 ℃條件下干燥脫水，然后封存?zhèn)溆?。黃麻纖維布經(jīng)過堿液處理之后其性能有一定提高[8]。

1.3.2鋪層取向角度設(shè)置復(fù)合材料制備流程

圖1所示為黃麻纖維布鋪層取向角度設(shè)置示意圖，其中紅線表示緯線，綠線表示經(jīng)線，經(jīng)緯線互為垂直關(guān)系；取向角為黃麻纖維布緯線方向與試樣長度方向之間的夾角[9]，即圖1中局部放大部分。按照均衡對稱鋪層原則[10]，中間層采用0°取向角，即緯線方向與試樣長度方向平行，若對稱層取向角相同則定義為單向鋪層(圖1a)，若對稱層取向角大小相同且互為正負(fù)關(guān)系則定義為雙向鋪層(圖1b)。表1為實(shí)驗(yàn)鋪層組別編號及對應(yīng)鋪層的取向角度，其中1—7組為單向鋪層，8—13組為雙向鋪層。

a.單向鋪層示意圖b.雙向鋪層示意圖

圖1　黃麻纖維布鋪層取向角度設(shè)置示意圖

1.3.3復(fù)合材料制備流程

制備流程：清洗模具→鋪放→真空→充?！袒撃?。

清洗模具：用清洗劑將模具清洗3遍，晾干后均勻涂抹脫模劑。

鋪放：在涂抹脫模劑的模具上依次鋪放黃麻纖維布、脫模布、導(dǎo)流介質(zhì)、真空膜。

真空：利用導(dǎo)管將真空泵、樹脂收集器、模具連接，然后打開真空泵，真空度達(dá)到0.09 MPa，且壓力表指針不回落時，與裝有樹脂的樹脂罐連接。

充模：打開樹脂注入閥門，樹脂注入模具內(nèi)并與纖維體浸潤，待樹脂到達(dá)收集器內(nèi)時再繼續(xù)注入15 s，便于樹脂與纖維體充分浸潤融合。

固化脫模：充模完成后，將模具放入烘箱內(nèi)，70 ℃條件下加熱固化3 h，樹脂完全固化后進(jìn)行脫模。

1.4性能測試

拉伸性能測試按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》中的Ⅰ型試樣制成啞鈴形狀，試樣尺寸為180 mm×20 mm×4 mm，仲裁試驗(yàn)中采用2 mm/min的加載速度，夾持距離為115 mm。

彎曲性能按照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，通過無約束支撐和三點(diǎn)彎曲方式進(jìn)行，試樣尺寸為80 mm×15 mm×4 mm，加載速度為2 mm/min，夾持距離為60 mm。

1.5掃描電鏡分析

采用日本JEOL公司的JEM-7500型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料斷裂面形貌。截取電鏡分析要求的樣件，并在去離子水中清洗，在盛放硅膠干燥劑的容器中干燥24 h后，經(jīng)過SEM觀察分析斷裂面形貌。

2　結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測得黃麻纖維布鋪層取向角度的力學(xué)性能見表2。

2.1黃麻纖維布鋪層取向角度對復(fù)合材料拉伸性能的影響

由圖2可以得出，單向鋪層取向時，隨著鋪層取向角的增加復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均呈近凹拋物線形變化，且取向角為0°與90°、15°與75°、30°與60°時的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量差值均不大，并在取向角為45°和90°時分別達(dá)到最小值和最大值。雙向鋪層取向時，復(fù)合材料拉伸性能先增大，然后在取向角為±45°時減小；從±45°～±75°較平緩地增大，即呈近波浪形變化；拉伸強(qiáng)度在取向角為±45°時減小的趨勢比拉伸模量大；同時在取向角為±75°時拉伸強(qiáng)度和拉伸模量達(dá)到最大值。通過單、雙向組別對比可知，復(fù)合材料單向鋪層中拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均不同程度地大于雙向鋪層，取向角為0°、90°單向鋪層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與0°及90°雙向鋪層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度差值較大，其他對應(yīng)角度組別差值較小。

表2　不同組別對應(yīng)的力學(xué)性能

圖2　拉伸強(qiáng)度和拉伸模量變化趨勢

2.2黃麻纖維布鋪層取向角度對復(fù)合材料彎曲性能的影響

由圖3可以得出，單向鋪層時隨著鋪層取向角的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量有相似的近凸拋物線形變化，并在取向角為60°時達(dá)到最大值。雙向鋪層時，隨著角度的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量呈近波浪形變化，先減小再增大，然后減小，并在取向角為±45°時達(dá)到最大值；取向角為±15°時達(dá)到最小值，但彎曲強(qiáng)度從取向角為±60°～±75°時減小的趨勢比彎曲模量大。通過對比單、雙向鋪層可知，雙向鋪層時取向角為0°及90°、±30°及±45°的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均大于單向鋪層時取向角為0°、30°及45°時的值，則其他相對應(yīng)角度中單向鋪層復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量值均大于雙向鋪層。

圖3　彎曲強(qiáng)度和彎曲模量變化趨勢

2.3復(fù)合材料斷面電鏡分析

對所有分組試件的拉伸和彎曲斷面做電鏡掃描分析，分別選取拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量性能最優(yōu)的鋪層取向進(jìn)行分析。單向鋪層中取向角為0°時復(fù)合材料拉伸性能值與取向角為90°時的拉伸性能相近，結(jié)合樹脂與纖維體結(jié)合情況綜合分析，其斷面形貌如圖4—圖8所示。

圖4為單向鋪層取向角為0°時黃麻纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸斷面電鏡圖?？梢钥闯隼炱茐臅r復(fù)合材料纖維斷面比較不平，有纖維伸出且部分纖維斷裂，斷裂伸出纖維上有部分樹脂黏結(jié)。

圖5為單向鋪層取向角為90°時黃麻纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸斷面電鏡圖?？梢钥闯鲈诶炱茐臅r復(fù)合材料纖維束斷裂相對圖4較整齊，并且纖維束之間有較多樹脂顆粒粘連，纖維截面孔隙相對較少，說明纖維在鋪層取向角為90°時，纖維束與樹脂結(jié)合較充分。

圖6為雙向鋪層取向角為±75°時黃麻纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸斷面電鏡圖?？梢钥闯鲭p向鋪層時斷裂面中的纖維分向斷裂，交叉分層比較明顯，在纖維斷裂處部分纖維伸出，并且有纖維與樹脂分離的現(xiàn)象，與對應(yīng)角度的單向鋪層相比，雙向鋪層的拉伸性能明顯較低。

圖7為單向鋪層取向角為60°時黃麻纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲斷面電鏡圖?？梢钥闯鰯嗔衙嬖趶澢d荷的作用下斷裂比較整齊，纖維伸出不明顯，纖維束之間有樹脂粘連，并且斷面處纖維方向統(tǒng)一，少量的纖維束與樹脂分離，說明單向鋪層取向受彎曲載荷時載荷只能向鋪層方向分散及傳遞載荷。

圖40°單向鋪層取向時拉伸斷面圖590°單向鋪層取向時拉伸斷面圖6±75°雙向鋪層取向時拉伸斷面

圖8為雙向鋪層取向角為±45°時黃麻纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲斷面電鏡圖。可以看出纖維與樹脂撕裂界面有許多絲狀物質(zhì)，且斷裂紋路比較明顯，纖維束內(nèi)部有較多樹脂填充，纖維斷裂伸出長短不一。這說明纖維束與樹脂結(jié)合比較緊密，并且在彎曲斷裂時纖維與樹脂最先分離，然后再發(fā)生纖維斷裂，載荷從而有效地在纖維之間傳遞。

圖7　60°單向鋪層取向時彎曲斷面電鏡

圖8　±45°雙向鋪層取向時彎曲斷面電鏡

3　結(jié)論與討論

3.1不同鋪層取向角度復(fù)合材料的拉伸性能

對于黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，單向鋪層組別制得的復(fù)合材料拉伸性能高于對應(yīng)角度值組別的雙向鋪層復(fù)合材料，隨著角度的增加，其差值越來越小。

單向鋪層取向時互為余角組別的復(fù)合材料拉伸性能相近，其拉伸性能在鋪層取向角為90°時最優(yōu)。通過電鏡觀測可知90°鋪層取向相對于0°鋪層取向其樹脂與纖維束浸潤性能及結(jié)合性能相對較優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度和模量值能達(dá)到78.26 MPa和6.15 GPa。

在雙向鋪層復(fù)合材料中鋪層取向角為±75°時拉伸性能較優(yōu)，但其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量值相對低于單向鋪層取向角為90°時的值。通過電鏡觀測可知±75°鋪層中有纖維斷裂現(xiàn)象且界面結(jié)合性能也相對較差，其拉伸模量和彎曲強(qiáng)度值分別為65.38 MPa和4.87 GPa。

3.2不同鋪層取向角度復(fù)合材料的彎曲性能

單向鋪層復(fù)合材料不同取向角度之間彎曲性能波動幅度較雙向鋪層復(fù)合材料取向角度之間小，雙向鋪層時彎曲性能優(yōu)于單向鋪層；通過電鏡觀測可知是由于雙向鋪層復(fù)合材料受到彎曲載荷時樹脂能夠更好地傳遞和分散載荷。

復(fù)合材料彎曲性能在單向鋪層取向角為60°時彎曲性能較優(yōu)，其彎曲強(qiáng)度和模量值分別為86.15 MPa和5.06 GPa；雙向鋪層取向角為±45°時彎曲強(qiáng)度和模量值分別為89.82 MPa和5.34 GPa。通過電鏡觀測可知雙向鋪層中樹脂與纖維束結(jié)合性能較單向鋪層充分，故單向鋪層取向角為60°時的彎曲性能低于雙向±45°鋪層。

綜合分析單、雙向鋪層組別復(fù)合材料性能可知，通過優(yōu)選不同鋪層取向角度，復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能會得到提高。在單向鋪層取向角為90°時復(fù)合材料的拉伸性能較好，適用于拉伸性能要求較高的工況；雙向鋪層取向角為±45°時復(fù)合材料的彎曲性能較好，適用于彎曲性能要求較高的工況。

Influence of Ply Orientated Angles on the Jute Fiber Reinforced Composites//

Liu Cheng， Fan Hao， Hua Jun， Wu Hao

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：52-55，79.

Ply orientated angle； Jute Fiber； VARTM Process； Composites； Mechanical properties

劉誠，男，1975年10月生,東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，副教授。E-mail：lw9265@sohu.com。

花軍，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，教授。E-mail：huajun81@163.com。

2015年6月16日。

TU531.6

1)教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金(博導(dǎo)類)課題(20130062110005)。

責(zé)任編輯：戴芳天。