炭/芳綸混雜正交三向復(fù)合材料拉伸性能實(shí)驗(yàn)研究

孫 穎，李濤濤，鄭園園，張國(guó)利，陳 利

(天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料天津市和教育部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

炭/芳綸混雜正交三向復(fù)合材料拉伸性能實(shí)驗(yàn)研究

孫 穎，李濤濤，鄭園園，張國(guó)利，陳 利

(天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料天津市和教育部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

設(shè)計(jì)制備了Z向紗為芳綸纖維、經(jīng)緯紗為炭纖維和經(jīng)緯紗間隔排列芳綸纖維與炭纖維的混雜織造的2種炭/芳綸混雜正交三向織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，采用基于全場(chǎng)位移的數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法，進(jìn)行了其材料級(jí)拉伸性能試驗(yàn)，通過(guò)與炭纖維、芳綸纖維2種非混雜的正交三向復(fù)合材料對(duì)比，分析了炭/芳綸混雜方式對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)緯紗采用炭纖維，Z向紗為芳綸纖維的混雜正交三向復(fù)合材料面內(nèi)拉伸模量和斷裂強(qiáng)度最大，斷裂伸長(zhǎng)率和泊松比較高；接下來(lái)的復(fù)合材料拉伸模量和強(qiáng)度從高到低依次是非混雜的炭纖維復(fù)合材料、經(jīng)緯紗采用炭纖維和芳綸間隔排列的混雜復(fù)合材料和非混雜的芳綸纖維復(fù)合材料。因此，按比例合理布置炭纖維和芳綸纖維的混雜正交三向復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的折衷設(shè)計(jì)。

炭/芳綸混雜復(fù)合材料；正交三向；數(shù)字圖像相關(guān)法；拉伸性能

0 引言

正交三向復(fù)合材料是典型的三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料，它與傳統(tǒng)鋪層復(fù)合材料相比，具有失效應(yīng)變高、斷裂功高、缺口敏感性低[1-2]及層間性能好、抗沖擊、耐疲勞、結(jié)構(gòu)整體性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、織造成本低等優(yōu)點(diǎn)。炭/芳綸混雜織物增強(qiáng)復(fù)合材料既保留了炭纖維的高強(qiáng)度、高剛度，又可發(fā)揮芳綸纖維延伸率較高、強(qiáng)度高、斷裂韌性好的優(yōu)勢(shì)[3-4]，拓展了復(fù)合材料的使用范圍，廣泛用于航空商用飛機(jī)、直升機(jī)、壓力容器、汽車部件、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。

炭/芳綸混雜正交三向復(fù)合材料集材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)于一身。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)2種纖維增強(qiáng)同一種樹脂的混雜正交三向復(fù)合材料力學(xué)性能開展了大量的研究。周冬春等[5]研究了多層經(jīng)緯紗混織的層間混雜和層內(nèi)混雜2種玄武巖/芳綸混雜正交三向復(fù)合材料的拉伸和剪切性能。結(jié)果表明，層內(nèi)混雜復(fù)合材料歸一化拉伸強(qiáng)度和初始模量分別比層間混雜復(fù)合材料高22%和17%，剪切強(qiáng)度和剪切模量分別高20%和26%。錢元等[3]測(cè)試了炭/玻璃纖維層內(nèi)混雜正交三向復(fù)合材料經(jīng)向拉伸性能，發(fā)現(xiàn)層內(nèi)混雜在保證正交三向結(jié)構(gòu)整體性的同時(shí)，提高了復(fù)合材料的拉伸模量與強(qiáng)度。姚瀾等[6]研究了兩層玻璃纖維/六層芳綸、四層玻璃纖維/四層芳綸、六層玻璃纖維/兩層芳綸共3種玻璃纖維/芳綸層間混雜正交三向復(fù)合材料的拉伸性能。結(jié)果表明，增加芳綸纖維混雜比例，復(fù)合材料比強(qiáng)度和比模量顯著提高。Munoz等[7]制備了經(jīng)緯紗分別采用玻璃纖維和炭纖維，Z向紗為高強(qiáng)度聚乙烯纖維的混雜正交三向復(fù)合材料，研究其經(jīng)緯向拉伸性能及拉伸斷裂失效機(jī)理。發(fā)現(xiàn)，炭纖維過(guò)早的斷裂，導(dǎo)致了玻璃纖維對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)沒有被充分利用，玻璃纖維增加了材料的斷裂應(yīng)變和能量消耗；同時(shí)，開孔拉伸實(shí)驗(yàn)證明了混雜正交三向復(fù)合材料具有缺口不敏感性。

在復(fù)合材料中，纖維束交織結(jié)構(gòu)和纖維束混雜會(huì)給復(fù)合材料引入顯著的局部應(yīng)變，而數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)方法是有效的全場(chǎng)位移和應(yīng)變定量測(cè)量方法。因此，本文采用DIC方法研究Z向紗為芳綸纖維，經(jīng)緯紗為炭纖維和經(jīng)緯紗間隔排列芳綸纖維與炭纖維的混雜織造的2種炭/芳綸混雜正交三向織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料經(jīng)向拉伸性能，與炭纖維、芳綸纖維2種非混雜的正交三向復(fù)合材料對(duì)比，研究混雜方式對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響，分析混雜正交三向復(fù)合材料拉伸斷裂機(jī)制，為不同種類纖維混雜織造的正交三向復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)和拓展應(yīng)用提供可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和初步的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

所用纖維為日本東麗炭纖維T700-12K、T400-6K和美國(guó)杜邦1580dtex芳綸纖維Kevlar49，樹脂體系為天津晶東TDE 86#環(huán)氧樹脂，固化劑為甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑為N，N-二甲基芐胺，纖維及樹脂的力學(xué)性能如表1所示。

表1 纖維及樹脂力學(xué)性能[8-9]

2種炭/芳綸混雜正交三向織物和非混雜炭纖維、非混雜芳綸纖維正交三向織物均由4層經(jīng)紗和5層緯紗在面內(nèi)互相成90°伸直排列，Z向紗沿經(jīng)向貫穿織物厚度將經(jīng)緯紗連成一個(gè)穩(wěn)定的整體，經(jīng)密、緯密和Z向紗密度均為5 根/cm，經(jīng)紗與緯紗的纖維體積含量之比為0.8∶1。4種正交三向織物結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中，HZK代表經(jīng)緯紗為炭纖維，Z向紗為芳綸纖維；HCK代表經(jīng)緯紗間隔排列芳綸纖維和炭纖維，Z向紗為芳綸纖維；NHC代表非混雜炭纖維；NHK代表非混雜芳綸纖維。

采用樹脂傳遞模塑成型工藝(RTM)制備正交三向復(fù)合材料平板大樣，TDE#86環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑質(zhì)量配比為100∶85∶1，固化制度為130 ℃/2 h-150 ℃/1 h-160 ℃/6 h-180 ℃/1 h。大樣尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為380 mm×180 mm×4 mm，采用稱重法[10]計(jì)算得到復(fù)合材料的纖維體積含量為(52±1.6)%。

1.2 拉伸實(shí)驗(yàn)

參考國(guó)標(biāo)GB/T 1447—2005[11]，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行經(jīng)向拉伸性能測(cè)試。從復(fù)合材料大樣中裁取板條型試樣尺寸為250 mm×25 mm×4 mm，每組5個(gè)試樣，試樣兩端貼50 mm×25 mm×2 mm的鋁制加強(qiáng)片。采用黑白2種顏色的噴漆對(duì)試樣表面進(jìn)行均勻制斑處理，便于DIC系統(tǒng)識(shí)別，見圖2。DIC系統(tǒng)通過(guò)在試樣表面選取具體的點(diǎn)，跟蹤這些點(diǎn)在測(cè)試過(guò)程中的位移，即圖像中同一像素點(diǎn)的位置記錄該像素點(diǎn)的位移向量，通過(guò)分析多個(gè)像素點(diǎn)的位移向量，得到整個(gè)分析區(qū)域的全場(chǎng)位移[12-13]。在試樣表面，附有一個(gè)50 mm長(zhǎng)的虛擬應(yīng)變計(jì)，用來(lái)獲取該區(qū)域的平均應(yīng)變[14]。

利用島津250 kN萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和DIC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(見圖3)，試驗(yàn)機(jī)夾頭加載速率為2 mm/min，DIC測(cè)試系統(tǒng)采集圖像頻率為1 Hz。通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)記錄的載荷值及DIC系統(tǒng)記錄的全場(chǎng)位移，計(jì)算得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線、拉伸強(qiáng)度、0.05%～0.25%應(yīng)變下的拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率及泊松比。泊松比為虛擬應(yīng)變計(jì)區(qū)域中緯向應(yīng)變與經(jīng)向應(yīng)變的比值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，所有試樣均在工作區(qū)段發(fā)生失效。4種正交三向復(fù)合材料典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。從圖4可看出，4種復(fù)合材料的加載失效過(guò)程均表現(xiàn)出了良好的線性，失效應(yīng)變范圍為1.8%～2.0%。

4種正交三向復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率和泊松比的平均值及拉伸性能柱狀圖見表2和圖5。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量由大到小依次為經(jīng)緯紗為炭纖維，Z向紗為芳綸纖維的混雜復(fù)合材料、非混雜炭纖維復(fù)合材料、經(jīng)緯紗間隔排列芳綸纖維與炭纖維的混雜復(fù)合材料、非混雜芳綸纖維復(fù)合材料。2種混雜復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率和泊松比相近，非混雜炭纖維和非混雜芳綸纖維復(fù)合材料泊松比相近，但斷裂伸長(zhǎng)率后者為4種材料中最高。

復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa斷裂伸長(zhǎng)率/%泊松比HZK1027．7950．171．870．042HCK735．9938．561．850．043NHC920．9649．051．770．036NHK497．8426．831．990．035

比較2種混雜正交三向復(fù)合材料的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，經(jīng)緯紗為炭纖維，Z向紗為芳綸纖維的混雜復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和模量分別比經(jīng)緯紗間隔排列芳綸纖維與炭纖維的混雜復(fù)合材料高39.6%和30.1%。這是因?yàn)榕c經(jīng)紗中混入一定比例芳綸纖維的后者相比，前者的經(jīng)紗均為炭纖維，炭纖維的拉伸強(qiáng)度和模量均高于芳綸纖維。因此，經(jīng)紗承受經(jīng)向載荷的能力提高，使得材料的拉伸強(qiáng)度和模量大幅增加。

比較經(jīng)緯紗為炭纖維，Z向紗為芳綸纖維的混雜復(fù)合材料和非混雜炭纖維復(fù)合材料的拉伸性能，前者的拉伸強(qiáng)度和模量分別比后者提高了11.6%和2.3%。因?yàn)樵诶爝^(guò)程中，Z向紗試圖伸直，產(chǎn)生沿厚度方向的壓力，能夠抑制分層裂紋向兩邊傳播，延誤經(jīng)紗的破壞和劈裂進(jìn)程。由于前者中Z向紗為芳綸纖維，其斷裂伸長(zhǎng)率大于炭纖維。所以，當(dāng)后者的Z向紗斷裂后，前者的Z向紗仍在發(fā)揮作用，進(jìn)一步延誤經(jīng)紗的破壞，使得前者的拉伸強(qiáng)度和模量大于后者。

DIC測(cè)試系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)試樣在視域內(nèi)的整個(gè)加載過(guò)程并得到全場(chǎng)位移。4種復(fù)合材料典型試樣正反面拉伸破壞形貌及應(yīng)變0.25%水平下和斷裂前的應(yīng)變分布見圖6，圖示部分為工作區(qū)段中100 mm×20 mm區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變分布。應(yīng)變0.25%水平下的云圖中，沿緯向有規(guī)律分布的藍(lán)色斑點(diǎn)為復(fù)合材料中Z向紗與緯紗的交織點(diǎn)，相鄰2行交織點(diǎn)之間的區(qū)域?yàn)闃渲ǖ?兩根緯紗之間的空間)。4種試樣在交織點(diǎn)附近均出現(xiàn)紅色點(diǎn)狀高應(yīng)變區(qū)域，這是因?yàn)閆向紗在交織點(diǎn)處改變走向，交織點(diǎn)附近存在一定程度的富樹脂區(qū)，當(dāng)試樣表面層樹脂承受載荷時(shí)，富樹脂區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變集中。此時(shí)，樹脂開始產(chǎn)生初始裂紋。

隨著載荷的增加，Z向紗在受力過(guò)程中試圖伸直，交織點(diǎn)附近應(yīng)變集中加劇，初始裂紋沿著樹脂通道加速向兩邊傳播，纖維與基體界面逐漸脫粘，最終這些裂紋在樹脂通道中沿緯向匯合連接在一起。因此，在試樣斷裂前的應(yīng)變?cè)茍D中，高應(yīng)變區(qū)域沿樹脂通道成連續(xù)曲線分布。由于圖6(a)和6(c)中經(jīng)紗均為炭纖維，斷裂伸長(zhǎng)率小，拉伸過(guò)程中試樣變形程度小，所以高應(yīng)變區(qū)域沿樹脂通道呈平緩的“波浪形”曲線分布；圖6(b)和6(d)經(jīng)紗中芳綸纖維含量較高，斷裂伸長(zhǎng)率大，纖維抽拔嚴(yán)重，拉伸過(guò)程中試樣發(fā)生較嚴(yán)重的變形，高應(yīng)變區(qū)域沿樹脂通道呈曲線分布的彎曲程度較大。在DIC測(cè)試系統(tǒng)視域內(nèi)監(jiān)測(cè)到了NHK-05試樣的最終斷裂位置并在云圖中標(biāo)出。

觀察圖6中試樣的宏觀拉伸破壞形貌發(fā)現(xiàn)，(a)和(c)都發(fā)生脆性斷裂，斷口整齊，斷口附近炭纖維與基體界面脫粘，經(jīng)紗層與緯紗層出現(xiàn)局部分層；(b)的經(jīng)紗中炭纖維與芳綸纖維間隔交替排列，含量相近，炭纖維發(fā)生脆性斷裂，芳綸纖維從基體中抽拔出來(lái)，且纏結(jié)在一起，因此斷口呈現(xiàn)出“鐘乳石”狀的破壞形貌；(d)的斷口處，由于芳綸纖維斷裂伸長(zhǎng)率較高，且具有韌性，因此纖維斷裂之后，仍互相纏結(jié)抱合在一起，纖維抽拔嚴(yán)重。

3 結(jié)論

(1)混雜方式為經(jīng)緯紗采用炭纖維，Z向紗為芳綸纖維的混雜正交三向復(fù)合材料的拉伸性能最好，呈現(xiàn)正混雜效應(yīng)，即拉伸性能優(yōu)于非混雜炭纖維正交三向復(fù)合材料?；祀s方式為經(jīng)緯紗間隔排列炭纖維和芳綸纖維的混雜正交三向復(fù)合材料的拉伸性能比非混雜炭纖維正交三向復(fù)合材料差，呈現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)。

(2)增加芳綸纖維的體積含量，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率增加，而拉伸強(qiáng)度和模量降低。

(3)通過(guò)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，材料的斷裂破壞發(fā)生在某一薄弱的高應(yīng)變區(qū)域。

[1] Cox B N,Dadkhah M S,Morris W L,et al.Failure mechanisms of 3D woven composites in tension,compression and bending[J].Acta Metallica Materialia,1994,42(12):3967-3984.

[2] Cox B N,Dadkhah M S,Morris W L.On the tensile failure of 3D woven composites[J].Composites:Part A 1996,27A(6):447-458.

[3] 錢元,張點(diǎn),周光明,等.碳-玻璃纖維維混雜三向正交復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(1):158-164.

[4] 曾金芳,喬生儒,丘哲明,等.F-12/CF混雜復(fù)合材料縱向拉伸性能研究[J].固體火箭技術(shù),2004,27(1):60-63.

[5] 周冬春,姚瀾,梁飛,等.三維正交機(jī)織玄武巖/芳綸混編復(fù)合材料的拉伸和剪切性能研[J].纖維復(fù)合材料,2010,27(1):38-42.

[6] 姚瀾,李文斌,邱夷平.三維正交機(jī)織復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能及介電性能研究[J].材料工程,2007(2):23-25;29.

[8] Kostar T D,Chou T W.Characterization and comparative study of three-dimensional braided hybrid composites[J].Journal of Materials Science,2000,35(9):2175-2183.

[9] Gibson R F.Principles of composite material mechanics[M].CRC Press,2011.

[10] 楊彩云,李嘉祿.三維機(jī)織復(fù)合材料纖維體積含量計(jì)算方法[J].固體火箭技術(shù),2005,28(3):224-227.

[11] GB/T 1447—2005,纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[S].國(guó)標(biāo),2005.

[12] 劉小勇.數(shù)字圖像相關(guān)方法及其在材料力學(xué)性能測(cè)試中的應(yīng)用[D].吉林大學(xué),2012.

[13] 白曉虹.數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)測(cè)量方法在材料變形研究中的應(yīng)用[D].東北大學(xué),2011.

[14] Dai S,Cunningham P R,Marshall S,et al.Influence of fibre architecture on the tensile,compressive and flexural behaviour of 3D woven composites[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2015,69:195-207.

(編輯：劉紅利)

Experimental study on tensile properties of carbon/Kevlar hybrid 3D orthogonal composites

SUN Ying，LI Tao-tao，ZHENG Yuan-yuan，ZHANG Guo-li，CHEN Li

(Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Tianjin and Ministry of Education， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Two kinds of carbon/Kevlar hybrid 3D orthogonal fabric reinforced epoxy composites that z yarn is Kevlar fiber,warp and weft yarn are carbon fiber and Kevlar fiber and carbon fiber are interval arranged in warp and weft yarn were designed and fabricated in this paper.The tensile properties of four kinds of composite materials were tested and analysed using digital image correlation method(DIC)based on full field displacement,and the effect of carbon/Kevlar hybrid ways on tensile properties of 3D orthogonal composites was investigated through comparing with single carbon fiber and single Kevlar fiber 3D orthogonal composites.The results show that the in-plain tensile modulus and fracture strength of hybrid 3D orthogonal composites made of carbon fiber in warp and weft,Zyarn with Kevlar fiber are the biggest,break elongation and Poisson’s ratio are higher;the tensile strength and modulus following from high to low are non-hybrid carbon fiber composites,hybrid composites with Kevlar fiber and carbon fiber being interval arranged,non-hybrid Kevlar fiber composites.Hence,the reasonable arrangement of carbon fiber and Kevlar fiber at the proportion for hybrid 3D orthogonal composites can achieve the compromise in design of the strength and toughness.

carbon/Kevlar hybrid composites；3D orthogonal；digital image correlation method；tensile properties

2015-10-14；

2015-11-10。

國(guó)家自然基金青年科學(xué)基金(11102133)；國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局項(xiàng)目(201210260)。

孫穎(1974—)，女，教授，研究方向?yàn)榧徔椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備與性能。E-mail：sunying@tjpu.edu.cn

李濤濤(1989—)，男，碩士，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能。E-mail：litaotaoqd@163.com

V258

A

1006-2793(2017)01-0085-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.01.015