纖維復(fù)合材料的無紡布層間增韌性研究

沈躍風(fēng)，胡美群

（禾欣可樂麗超纖皮（嘉興）有限公司，浙江嘉興 314003）

纖維復(fù)合材料的無紡布層間增韌性研究

沈躍風(fēng)，胡美群

（禾欣可樂麗超纖皮（嘉興）有限公司，浙江嘉興 314003）

隨著我國快速發(fā)展的材料研究，復(fù)合材料受到各方面廣泛關(guān)注，尤其是在航空等高新科技領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛。其中較為突出的CFRP材料，即碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其特殊的優(yōu)勢，在航空航天器應(yīng)用上，得到了大量應(yīng)用，以其輕量化、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，降低了燃油成本。在改善材料層間結(jié)構(gòu)方面，由于層間力學(xué)性能和纖維鋪層性能較為薄弱，出現(xiàn)分層損傷概率較大，會(huì)降低整體材料的力學(xué)性能。為改善這種局面，可以引入離位增韌技術(shù)，采用尼龍無紡布（PNF）作為增韌層，可大幅度增強(qiáng)復(fù)合材料的韌性。

纖維復(fù)合材料；無紡布；增韌性

1 無紡布層間增韌性研究

1.1 無紡布層增韌性

1.1.1 靜電紡絲技術(shù)

PEK-C、PSF及PA-66納米纖維無紡布可以通過靜電紡絲技術(shù)獲得，這些材料可大幅增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂韌性。但在復(fù)合材料面內(nèi)引入PEK-C容易導(dǎo)致力學(xué)性能下降。為改善上述缺點(diǎn)，近年來針對(duì)納米纖維無紡布的研究逐漸成為了熱點(diǎn)。該材料具備高孔隙率、整體性和連續(xù)性等特征，便于樹脂的流動(dòng)浸漬。

1.1.2 紡黏法

紡黏法可以用來紡織尼龍無紡布。尼龍無紡布是增韌材料首要選擇。在復(fù)合材料層間引入改材料可以形成一種非反應(yīng)的熱固一熱塑雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，不僅可以增強(qiáng)復(fù)合材料層間韌性，還可以防止出現(xiàn)溶解帶來的問題。對(duì)技術(shù)制備來說，北京航空材料研究院提出了一種層間“離位”增韌液態(tài)成型技術(shù)，與常用的預(yù)浸料熱壓罐工藝相比較，這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CFRP復(fù)合材料制備技術(shù)的升級(jí)式發(fā)展，大幅度增強(qiáng)了復(fù)合材料層間韌性和制備工藝。

1.2 無紡布層增韌性機(jī)理

Hojo等采用掃描電子顯微鏡及光學(xué)顯微鏡研究了不同的增韌機(jī)理。在不同增韌劑環(huán)境條件下，獲得試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)的裂紋路徑變化情況。與傳統(tǒng)的薄膜增韌法相比較，因?yàn)檩^為光滑的薄膜表面，導(dǎo)致纖維與樹脂層間的韌性較差，在純樹脂部位極易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。對(duì)于沒有進(jìn)行增韌的纖維樹脂層間，由于該部位力學(xué)性能不強(qiáng)，導(dǎo)致該出萌生的裂紋持續(xù)變化并增長。在裂紋增長過程中，在層間纖維表面約束力作用之下，不會(huì)開裂擴(kuò)散。

1.3 尼龍無紡布成型過程

尼龍無紡布由紡黏法制備而成，與傳統(tǒng)插層增韌原理相比較，該方法可以深入層間樹脂內(nèi)部伸出，有效搭接纖維束，在纖維樹脂層間構(gòu)成PNF樹脂層、CF與PNF界面的共同增韌部位，有效提高復(fù)合材料的層間韌性，提高復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。在載荷影響作用之下，B型內(nèi)部的裂縫較多位于PNF夾層及CF與PNF界面部位。A型內(nèi)部裂紋較多出現(xiàn)在PNF樹脂夾層。

2 纖維復(fù)合材料的無紡布層間增韌性研究

2.1 A型復(fù)合材料雙懸臂梁彎曲試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)規(guī)范

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1843—2008《懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測定》進(jìn)行A型復(fù)合材料的雙懸臂梁彎曲試驗(yàn)。

2.1.2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

采用CMT4204材料試驗(yàn)機(jī)研究CFRP的A型層間雙懸臂梁彎曲性能，試驗(yàn)設(shè)備有試驗(yàn)機(jī)、測微計(jì)、量規(guī)、模塑和擠塑材料。

2.1.3 試驗(yàn)過程

通過使用CMT 4204型材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)預(yù)制裂紋端上下表面黏接的鉸鏈加載。試驗(yàn)采用位移控制的加載方式，加載速率為2mm/min。在擴(kuò)展裂紋約20mm時(shí)，加載停止并回車，記錄此時(shí)的載荷位移曲線及裂紋長度αi。然后，位移載荷繼續(xù)施加，當(dāng)產(chǎn)生新的裂紋約10mm時(shí)，卸載。重復(fù)上述步驟直到裂紋擴(kuò)展總長度達(dá)到100mm。試驗(yàn)結(jié)果有效的標(biāo)準(zhǔn)是裂紋長度αi值位于45～100mm。

計(jì)算A型無紡布層間斷裂韌性公式如下所示：

公式（1）中：m為每個(gè)試樣的柔度曲線擬合系數(shù)；pi為加載最大載荷，i=1，2，…n；δi為位移距離，i=1，2，…n；αi為加載前的裂紋長度，i=1，2，…n。由此可得：

公式（2）中：k為有效測量單個(gè)試樣結(jié)果個(gè)數(shù)，Qi=pi/δi計(jì)算A型斷裂韌性結(jié)果如圖1所示：

2.1.4 試驗(yàn)證明與分析

如圖1所示，在復(fù)合材料層中引入尼龍無紡布離位增韌層，可大幅提高復(fù)合材料層間韌性。尼龍無紡布層增韌性的較大程度增強(qiáng)了A型復(fù)合材料斷裂韌性能與載荷承載性能。通過采用該增韌手段，A型材料的GAC從321.1J/m2提高到670.9J/ m2，與此同時(shí)A型斷裂的峰值載荷從75.38N增加到98.54N。

圖1 試樣GAC試驗(yàn)結(jié)果

2.2 B型復(fù)合材料切口韌性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)規(guī)范

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2358-1994《裂紋尖端張開位移試驗(yàn)方法》進(jìn)行B型復(fù)合材料的斷裂韌性試驗(yàn)。裂紋尖端張開位移試驗(yàn)法（CTOD）采用三點(diǎn)彎曲測試試樣的變形幾何關(guān)系。

2.2.2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

采用CMT4204材料試驗(yàn)機(jī)研究CFRP的B型層間斷裂韌性，試驗(yàn)設(shè)備有試驗(yàn)機(jī)、刀口、夾式電子引伸計(jì)。

2.2.3 試驗(yàn)過程

在0°的單向板內(nèi)，B型層間斷裂韌性（GBC）是滑移型層間裂紋若纖維方向擴(kuò)展的臨界能量釋放率。在在兩個(gè)跨距為100mm水平支座上放置試樣，左支座距預(yù)制裂紋端15mm，距離另一端右支座25mm。支座與試樣的接觸面為圓柱形，加載頭位于兩支座中間。通過控制位移加載方式，加載速率是2mm/min，設(shè)置試驗(yàn)結(jié)束的條件為定力衰減40%。

計(jì)算B型斷裂韌性如公式（3）所示：

圖2 試樣GBC試驗(yàn)結(jié)果

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

CFRP的B型層間斷裂韌性的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。尼龍無紡布層增韌性的較大程度增強(qiáng)了B型復(fù)合材料斷裂韌性能與載荷承載性能。通過該種增韌手段，CFRP的B型層間斷裂韌性GBC從1 293.0J/m2增加到3 945.0J/m2，峰值載荷從1 292.84N提高到2 349.61N。

[1] 朱國偉.纖維復(fù)合材料的無紡布層間增韌分析[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[2] 張朋，劉剛，胡曉蘭，等.結(jié)構(gòu)化增韌層增韌RTM復(fù)合材料性能[J/ OL].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2012，（4）.

S t u d y o n T e n s i l e T o u g h n e s s o f N o n-w o v e n F a b r i c s o f F i b e r C o mp o s i t e s

Shen Yue-feng，Hu Mei-qun

With the rapid development of materials in China，composite materials are widely concerned by all aspects，especially in aviation and other high and new technology applications more widely.Among them，the more prominent CFRP materials，namely carbon fi ber reinforced resin matrix composites，have been widely used in aerospace applications because of their special advantages，and have the advantages of light weight and high strength，which reduces the fuel cost.In improving the interlayer structure of the material，due to the interlayer mechanical properties and fi ber laying performance is relatively weak，there is a greater probability of stratif i cation damage，will reduce the overall mechanical properties of the material.To improve this situation，can be introduced from the toughening technology，the use of nylon non-woven（PNF）as a toughening layer，can greatly enhance the toughness of composite materials.

f i ber composite material；nonwoven fabric；toughening property

TB33

B

1003-6490（2017）08-0068-02

2017-06-06

沈躍風(fēng)（1981—），男，浙江海鹽人，工程師，主要研究方向?yàn)槌?xì)纖維皮革的研究與應(yīng)用。