自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的性能測試與分析

王建坤，蔣曉東，郭興峰

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

0 前言

玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的增強相是玻璃纖維織物，是整個復(fù)合材料的力學(xué)性能主要承載者，不飽和聚酯樹脂是復(fù)合材料的基體相[1]，作用是保護玻璃纖維織物不受磨損和受力變形，維持復(fù)合材料的形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的耐沖擊性能好、高彈力、高模量、絕緣性好、耐腐蝕性好、重量輕、阻燃性好和強度高等特點，被廣泛用于船艇、電子電氣、風能、航空航天、軍事國防、化工化學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施、建筑房屋、汽車、工業(yè)用齒輪和運動器材等領(lǐng)域[2]。

在遇到暴雪天氣或寒流的情況下，飛機有可能發(fā)生機翼和機身表面結(jié)冰的現(xiàn)象，給人們的安全出行和生命安全造成很大的威脅。2006年6月3日，中國空軍的一架空警-200預(yù)警機在安徽東部墜毀，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)墜機原因是飛機機翼結(jié)冰，如圖1是因冰雪天氣而導(dǎo)致的機翼結(jié)冰[3]。2012年4月2日，一架ATR-72支線客機在俄羅斯明州墜毀，事故調(diào)查委員會根據(jù)黑匣子中的飛行數(shù)據(jù)和目擊者的反映情況，證實了飛機墜機的原因是飛機起飛前沒有做好除冰雪工作，如圖2所示。

圖1 飛機的機翼結(jié)冰[4]

圖2 ATR-72支線客機墜機[5]

目前，飛機的機翼和機身廣泛采用了復(fù)合材料，很多建筑物采用膜織物作為建筑材料，如體育場館的頂棚等，它是一種織物增強的柔性復(fù)合材料。為了使這些復(fù)合材料具有除冰除雪的功能，將加熱元件分布在復(fù)合材料中，當在寒冷環(huán)境中出現(xiàn)結(jié)冰或積雪時，可通過加熱去除冰雪。玻璃鋼是一種應(yīng)用最為廣泛的樹脂基復(fù)合材料，本課題以這種復(fù)合材料為對象，賦予其加熱的功能，研究它的加熱特性及加熱對復(fù)合材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1100tex玻璃纖維、6K碳纖維、Φ0.09mm康銅絲、196不飽和聚酯樹脂。

1.2 自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的制備

1.2.1 自加熱玻璃纖維織物的織造

相對于有機纖維而言，玻璃纖維具有耐高溫性好、不燃燒、抗腐蝕性好(對強酸和強堿有良好的抗阻作用)、隔熱性好、隔音性良好、斷裂強度高(與相同類型鋼絲相比，玻璃纖維的斷裂強度遠遠高于鋼絲)、絕緣性好等特點[6-7]，被廣泛應(yīng)用于建筑、航空等領(lǐng)域。玻璃纖維可以作為增強材料織成復(fù)合材料板，使其具有良好的性能。

康銅絲是以銅鎳為主要成分的電阻合金制成的絲狀材料，其電阻溫度系數(shù)比較低，可適用的溫度范圍為480℃以下，可用來作為電阻絲和電子元件使用，因為其表面具有絕緣處理，所以使用時不容易發(fā)生短路，本實驗將康銅絲作為加熱元件與玻璃纖維交織成織物，與不飽和聚酯樹脂混合做成帶加熱功能的復(fù)合材料。

碳纖維是一種含碳量高達95%以上的高強度、高模量的纖維材料。其抗拉伸強度在3500Mpa以上，是相同截面鋼材的7～10倍，且重量輕，與鋼鐵相比，密度只有鋼鐵的1/4，耐久性好[8-10]，面對化學(xué)腐蝕、惡劣環(huán)境和氣候變化的影響，碳纖維性能的變化較小。碳纖維具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和強度，可作為復(fù)合材料的加熱絲。另外，碳纖維的電熱轉(zhuǎn)換率約100%，碳纖維的升溫速度非?？欤?分鐘便接近溫度峰值，因此，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合型材料制備。

玻璃布、碳纖維織物常采用平紋、斜紋、緞紋等組織，平紋織物中的經(jīng)紗和緯紗的波峰點都在表觀平面中，為零結(jié)構(gòu)相，織物的表面均勻平齊、經(jīng)緯紗相互擠壓程度大、牢固耐磨性優(yōu)良。與斜紋、緞紋織物相比，平紋織物的交織點多且均勻，其經(jīng)緯紗間的作用力較大，所以平紋織物質(zhì)地堅牢、表面平整。另外，平穩(wěn)織物的織造過程簡單，便于玻璃纖維經(jīng)紗的梳理，有助于織物的織造順利織造。因此，本實驗選擇的織物組織是簡單平紋織物。

研究對比了相同功率下不同玻纖比(分別是1:1、1:2、1:3)的復(fù)合材料，實驗發(fā)現(xiàn)玻纖比是1:3的復(fù)合物的加熱效果較好[11]，因此，選擇6K碳纖維和康銅絲作為緯紗按1：3比例連續(xù)織入織物，如圖3為玻璃纖維緯紗(黑線)和加熱絲緯紗(紅線)在織物中排列規(guī)律。

圖3 加熱絲與玻璃纖維紗1:3比例分布

為了比較不同加熱絲的復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性質(zhì)，實驗共設(shè)計了三種織物，純玻璃纖維織物1塊，6k碳纖維作加熱絲的織物3塊，康銅絲作加熱絲的織物3塊?？椢锏姆鶎挒?0cm，匹長為27cm，小樣機的筘板號數(shù)為55，經(jīng)紗選擇每筘一入，緯紗密度為20根/10cm。各樣品織物的參數(shù)如表1所示。

表1 織物種類及參數(shù)

本實驗是在小樣織機上完成，根據(jù)織物參數(shù)對小樣織機進行調(diào)整，調(diào)整好上機工藝參數(shù)，便可以進行整經(jīng)、穿綜、穿筘、織造工序，實驗的織物上機圖如圖所示。根據(jù)上機圖，在小樣織機上輸入紋板圖。上機圖如下頁圖4所示。

圖4 織物上機圖

1.2.2 自加熱玻璃纖維織物復(fù)合材料的制備

本實驗試劑的選擇是196不飽和聚酯樹脂，環(huán)烷酸鈷作為促進劑和過氧化甲乙酮作為引發(fā)劑[12]，選擇促進劑和引發(fā)劑的比例各為2.0%。實驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)制的樹脂溶液質(zhì)量與玻璃纖維織物的質(zhì)量比為0.5:1.0時，樹脂溶液不足以完全覆蓋玻璃織物；當該比例是1.0:1.0時，樹脂的量剛好可以完全覆蓋玻璃織物。因此，選擇樹脂質(zhì)量與玻璃纖維織物質(zhì)量的比例為1.0:1.0較為合適。

首先，用天平秤量出玻璃纖維織物的重量(質(zhì)量為80g)，再用天平稱取80g的樹脂，稱量環(huán)烷酸鈷和過氧化甲乙酮各1.6克，環(huán)烷酸鈷與過氧化甲乙酮不能同時相加，同時相加會發(fā)生爆炸。因此，先往樹脂溶液中加環(huán)烷酸鈷，充分攪拌后再加過氧化甲乙酮[13]，使其均勻混合。

然后，將一塊表面干凈的玻璃板鋪上平整光滑的塑料紙，先在塑料紙上涂一層與玻璃纖維織物等大的樹脂溶液，將織物平放在上面，再用調(diào)好的樹脂均勻地涂在織物上，直到織物全部且均勻地浸潤(呈透明狀態(tài))，再用一張塑料紙鋪在織物上，用刮板將織物中的氣泡全部擠出，從而保證復(fù)合材料的平整和力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定。

最后，在復(fù)合材料板上在壓一張玻璃板，3小時之后，便可以將復(fù)合材料板取出，進行下一塊復(fù)合板的制作。制作成的三種復(fù)合板如圖5所示，圖中的三塊板依次是以純玻璃纖維織物增強復(fù)合材料、以6K碳纖維為加熱絲的玻璃纖維織物增強復(fù)合材料和康銅絲為加熱絲的玻璃纖維織物增強復(fù)合材料。

圖5 三種復(fù)合材料

1.3 自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的性能的測定

1.3.1 復(fù)合材料的加熱性能測定

對復(fù)合材料進行熱學(xué)性質(zhì)測試時，首先要對復(fù)合材料板的加熱絲的接頭進行處理，如用火機燒掉康銅絲的絕緣層和碳纖維接頭中混合的樹脂，外接電流來測試復(fù)合材料板的導(dǎo)電性。用萬能表測出復(fù)合板的電阻，選擇不同功率外接到復(fù)合材料上，然后每隔10分鐘用紅外測溫儀測量復(fù)合板的溫度，總結(jié)出自加熱復(fù)合材料在不同功率下，其溫度隨時間的變化。

為了保證準確的測量到復(fù)合板的溫度分布，測量點應(yīng)盡量平均分布在復(fù)合板的各個部分，做到盡量便于操作，數(shù)量合適且具有說服性。因為實驗做的復(fù)合材料板是長方形，所以利用對角線法[14]，將9個測量點的平均值視為平均溫度，測量點的分布如圖6所示。

圖6 測量點的分布

1.3.2 復(fù)合材料的力學(xué)性能測定

將3塊加熱絲為康銅絲的復(fù)合材料板、3塊加熱絲為6K碳纖維的復(fù)合板和1塊純玻璃纖維復(fù)合材料板(1號板)取來，其中，2號板不做任何處理，3號板在功率為20W下通電30分鐘，4號板在功率20W下通電60分鐘，將5號板不做任何處理，6號板在功率為20W下通電30分鐘，7號板在功率為20W下通電60分鐘，6塊帶加熱功能的復(fù)合板的參數(shù)如下頁表2所示。

表2 6塊復(fù)合板的參數(shù)表

為了測量自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的力學(xué)性能，根據(jù)GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》的要求，將7塊復(fù)合材料板用樣條切割機沿經(jīng)紗方向切成長250mm和寬25mm的樣條(每塊復(fù)合板切6塊樣條)。復(fù)合材料板的拉伸性能測試是在INSTRON5969萬能強力機進行的，在進行測試之前，要對樣條進行防摩擦處理，在樣條的兩端安裝加強片(長5cm寬3cm)[15]，如圖7所示，再對INSTRON5969萬能強力機進行測試參數(shù)設(shè)定，具體測試參數(shù)如表3所示。在拉伸過程中，萬能強力機相連的電腦就會記錄樣條的各個時間段的拉伸應(yīng)力、最終的斷裂強度、最大載荷、彈性模量和斷裂伸長率，其中斷裂強度、斷裂伸長率和拉伸彈性模量的公式如下。

(1)拉伸應(yīng)力(斷裂強度)按式1計算：

(1)

式中：σ——拉伸應(yīng)力，單位為兆帕(MPa)；

F——屈服載荷或最大載荷，單位為牛頓(N)；

b——試樣寬度，單位毫米(mm)；

d——試樣厚度，單位為毫米(mm)。

(2)試樣斷裂伸長率按式2計算：

(2)

式中：ε——試樣斷裂伸長率，%；

ΔLb——試樣拉伸斷裂時標距L0內(nèi)的伸長量，單位為毫米(mm)；

L0——測量的標距，單位為毫米(mm)。

(3)拉伸彈性模量按式3計算：

(3)

式中：E——拉伸彈性模量，單位為兆帕(Mpa)；

ΔF——載荷-變形曲線上的初始直線段的載荷增量，單位為牛頓(N)；

ΔL——與載荷增量ΔF相對應(yīng)的標距L0內(nèi)的變形增量，單位為毫米(mm)。

圖7 樣條安裝加強片的示意圖

測試條件相對濕度/%溫度/℃夾具長度/cm寬度/mm拉伸速度(mm/min)測試參數(shù)502315252

2 結(jié)果與分析

2.1 自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料加熱性能分析

為了選擇合適的外接電壓與功率，實驗對康銅絲的可承受功率范圍進行測試?？点~絲的表面過了一層絕緣漆，因此在測試之前用火機將康銅絲接頭的絕緣漆燒掉，將長度為100cm的康銅絲接到電源(已經(jīng)調(diào)到實驗電壓)上，觀察康銅絲的變化。實驗發(fā)現(xiàn)，當電源的電壓值為40V(P為20W)，康銅絲的絕緣漆無明顯變化且表面微熱[16]；當電源的電壓值為57V(P為40W)，康銅絲的絕緣漆顏色加深且表面發(fā)燙；當電源的電壓值為69V(P為60W)，康銅絲的絕緣漆燒毀，開始變紅冒煙。綜合分析，選擇康銅絲的可承受功率為0～60W/m。對復(fù)合材料板的電阻值測定如下頁表4所示。

表4 各塊復(fù)合板的電阻值

為了探究復(fù)合材料板在不同功率下的溫度變化，實驗選取了以6k碳纖維和康銅絲為加熱絲的復(fù)合板各3塊，分別通上60V、40V、20V的電壓，測試復(fù)合板在不同電壓下的溫度變化。首先將電源調(diào)到目標電壓值接到復(fù)合板上，然后每隔10分鐘用紅外溫度儀測量各個測量點的溫度，然后將數(shù)據(jù)進行整理和畫圖分析，每次實驗都應(yīng)將復(fù)合板放置一段時間，待復(fù)合板的溫度達到常溫后再進行下一次實驗。如圖8所示，在不同電壓下，兩種不同加熱絲的復(fù)合材料溫度隨時間變化的比較，通過對比，可以得出兩種復(fù)合材料的加熱性能的差異。

圖8 兩種復(fù)合板溫度隨時間變化的比較

由實驗結(jié)果可知，在不同電壓下，復(fù)合板所達到的最高溫度不同，電壓越高(即功率越高)，復(fù)合板達到的最高溫度越高；復(fù)合板的溫度隨時間的變化是先迅速增加接近最高值，再緩慢地達到最高值，30分鐘后，復(fù)合板的溫度基本無變化；在相同電壓下，加熱絲為康銅絲的復(fù)合材料達到的最高溫度略高于碳纖維復(fù)合材料。

2.2 自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料用于制作飛機的機身和機翼，在實際應(yīng)用中，需要復(fù)合材料具有承受外力(如拉伸、剪切、彎曲等)的作用而不發(fā)生自身的力學(xué)性能的損傷，更需要其在通電加熱后依然能保持力學(xué)性能的穩(wěn)定[17]，本課題主要通過測量不同加熱時間復(fù)合材料板的拉伸性能，來分析出加熱對其力學(xué)性質(zhì)的變化。

2.2.1 復(fù)合材料的測量數(shù)據(jù)與分析

用萬能強力機分別測量三種不同加熱時間的帶有加熱絲的復(fù)合材料和純玻纖復(fù)合材料。將各塊復(fù)合材料的最大載荷和拉伸彈性模量的平均值繪制柱狀圖如圖9和圖10所示，圖9和圖10表示兩中加熱絲在不同通電時間下的最大載荷變化和彈性模量變化，其中橫線代表純玻纖織物復(fù)合材料。

圖9 復(fù)合材料的最大載荷隨通電時間的變化

圖10 復(fù)合材料的彈性模量隨通電時間的變化

由實驗結(jié)果可知，(1)隨著通電時間的增加，康銅絲復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度都有下降的趨勢。沒有通電加熱的碳纖維復(fù)合板的拉伸強度與純玻纖復(fù)合板的拉伸強度相接近，另外，康銅絲復(fù)合材料的拉伸強度小于碳纖維復(fù)合材料。(2)康銅絲復(fù)合材料的彈性模量略高于碳纖維復(fù)合材料，通電加熱后，兩者拉伸彈性模量基本沒什么變化，但其彈性模量小于純玻纖復(fù)合材料。

3 結(jié)論

本文根據(jù)目前國內(nèi)民用飛機機身和機翼在消除冰雪上存在的問題，探究了自加熱玻璃纖維織物增強復(fù)合材料的性能，用于解決冰雪天氣對飛機安全航行的影響。

(1)介紹玻璃纖維織物的織物組織設(shè)計和在小樣織機上的織造工序，成功織造出實驗需要的兩種不同加熱絲的玻璃纖維織物和純玻璃纖維織物，其中，純玻璃纖維織物1塊，帶有6K碳纖維緯紗和康銅絲緯紗的織物各3塊。將7塊織物與不飽和聚酯樹脂進行復(fù)合制成復(fù)合材料板。

(2)在不同電壓(功率)下，分別對兩種不同加熱絲的復(fù)合材料進行通電加熱實驗，探究功率大小對復(fù)合板溫度的影響和復(fù)合板溫度隨時間的變化。實驗發(fā)現(xiàn)，通電10分鐘內(nèi)，兩種復(fù)合板的溫度急速升高，通電10到30分鐘，兩種復(fù)合板的溫度緩慢增加，通電30分鐘后，溫度基本不變。通電功率越大，帶加熱性能的復(fù)合板的穩(wěn)定溫度越高；兩種帶加熱絲的復(fù)合材料的加熱性能良好，具有良好的除雪化冰效果。

(3)探究了兩種帶加熱性能的復(fù)合材料的通電耐久試驗，在新型萬能強力機上，對通電時間不同兩種復(fù)合材料進行拉伸性能測試，探究通電時間對復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，通電時間越長，復(fù)合材料的拉伸強度具有下降的趨勢，但下降的程度較小，基本不影響復(fù)合板的力學(xué)性能。另外，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度高于康銅絲復(fù)合材料，且兩者的彈性模量變化不大。

綜合分析，6K碳纖維為加熱絲的玻璃纖維織物復(fù)合材料的熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能較好，可用來制作飛機機身和機翼。