無捻包纏對(duì)拉伸差異混合纖維預(yù)制件的強(qiáng)力改善

曾金梅,任學(xué)勤,楊 恒,邱艷茹,曹欣蕾

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048)

碳纖維因?yàn)槊芏鹊汀⒈葟?qiáng)度高、比模量高、耐熱性及化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異而成為復(fù)合材料研究熱點(diǎn)[1-2]。近幾年我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但與國(guó)外相同產(chǎn)品相比仍存在一定差距[3]。雖然碳纖維與其他高性能纖維混合能在一定程度上保留和補(bǔ)充單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特性,但是兩種纖維增強(qiáng)體的拉伸特性不一樣,復(fù)合材料受力時(shí)兩種材料出現(xiàn)先后斷裂現(xiàn)象,混合效果受限[4]。在風(fēng)電葉片領(lǐng)域,使用較多的為玻碳混合纖維復(fù)合材料,玻璃纖維和碳纖維均具有較高的拉伸強(qiáng)度。玻璃纖維價(jià)格較為低廉,但伸長(zhǎng)率較大,高達(dá)4.7%,彈性模量為80 GPa左右;碳纖維彈性模量為350～670 GPa,伸長(zhǎng)率為0.5%～2.4%,但是價(jià)格較高[5-9],因而在玻碳混合纖維復(fù)合材料受力時(shí),碳纖維作為高模材料由于伸長(zhǎng)率低而先于玻璃纖維斷裂,復(fù)合材料總強(qiáng)力降低,目前研究較多的方法為碳纖維進(jìn)行表面改性[11]。

本團(tuán)隊(duì)提出了用無捻包纏技術(shù)解決上述問題。使用國(guó)產(chǎn)SYT49-12K 800 tex碳纖維長(zhǎng)絲束無捻包纏2 400 tex高模玻璃纖維長(zhǎng)絲束,在不改變?cè)祭w維的前提下,通過改變包纏紗的包纏捻度,提高了包纏紗中碳纖維長(zhǎng)絲束斷裂伸長(zhǎng)率,從而改變碳纖維長(zhǎng)絲束的強(qiáng)力分布,使混合纖維中碳纖維長(zhǎng)絲束的最大強(qiáng)力補(bǔ)充到玻璃纖維長(zhǎng)絲束的常用受力區(qū)間或客戶設(shè)計(jì)區(qū)間,從而包纏紗總斷裂強(qiáng)力得到一定程度的提高,兩種長(zhǎng)絲束在預(yù)制件和復(fù)合材料產(chǎn)品中都是以無捻狀態(tài)存在,大幅提高了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)品率和穩(wěn)定性,為高韌性材料及復(fù)合材料產(chǎn)品等開發(fā)和應(yīng)用提供了新思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)中使用的碳纖維與玻璃纖維的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 纖維原料基本信息

1.2 長(zhǎng)絲束加捻方案

試驗(yàn)采用XPU-TF4-1型長(zhǎng)絲束特種加捻設(shè)備,實(shí)現(xiàn)碳纖維長(zhǎng)絲束無捻包纏玻璃纖維長(zhǎng)絲束。XPUTF4-1型長(zhǎng)絲束特種加捻設(shè)備的整體概況如圖1所示。

圖1 XPU-TF4-1型長(zhǎng)絲束特種加捻設(shè)備

為研究包纏紗中碳纖維長(zhǎng)絲束的包纏捻度對(duì)包纏紗拉伸性能的影響,經(jīng)過專業(yè)理論分析和計(jì)算,將包纏紗的包纏捻度設(shè)定為0、3、20、30捻/m。碳纖維長(zhǎng)絲束和玻璃纖維長(zhǎng)絲束形成的包纏紗線如圖2所示。由于玻璃纖維長(zhǎng)絲束為軸向退繞方式,1 m有2個(gè)左右的捻回,芯紗的退繞方式后期會(huì)改善成徑向退繞方式。

圖2 玻碳包纏紗

1.3 拉伸測(cè)試方法

試驗(yàn)溫度:23℃;濕度:50%;標(biāo)距:500 mm;速度:300 mm/min。

測(cè)試設(shè)備:SANS有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)CMT4202。

測(cè)試方法:依據(jù)某工廠測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)方案為《紗類拉伸強(qiáng)度測(cè)定》,由于機(jī)器設(shè)定,在拉伸出現(xiàn)第一次斷裂后就停止拉伸,為防止試樣的夾持處發(fā)生應(yīng)力集中,在試樣兩端增加紙質(zhì)增強(qiáng)片。

根據(jù)包纏捻度的不同,試樣分為4組,每組5個(gè)試樣,用試驗(yàn)來觀察不同狀態(tài)下包纏紗效果。試樣拉伸圖如圖3所示。

圖3 試樣拉伸圖

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

從圖2中可以看出在玻碳包纏紗中,玻璃纖維長(zhǎng)絲束作為芯層,是無捻狀態(tài),其作為外層包纏纖維,也是無捻狀態(tài)。

圖4為根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到的試樣的拉伸斷裂強(qiáng)力與碳纖維長(zhǎng)絲束包纏捻度的關(guān)系圖。通過圖4可以看出隨著碳纖維長(zhǎng)絲束包纏捻度的增加,玻碳包纏紗斷裂強(qiáng)力均比玻碳無捻并絲斷裂強(qiáng)力有所提高,尤以當(dāng)包纏捻度為20捻/m時(shí),玻碳包纏紗的斷裂強(qiáng)力較無捻并絲提高了45.7%。說明加捻能夠在一定的包纏捻度范圍內(nèi)提高玻碳包纏紗的斷裂強(qiáng)力。

圖4 包纏捻度與玻碳包纏紗斷裂強(qiáng)力關(guān)系示意圖

2.2 結(jié)果分析

玻碳包纏紗中的玻璃纖維長(zhǎng)絲束作為芯層,沒有經(jīng)過加捻機(jī)構(gòu)施加真捻,但外層包纏的碳纖維長(zhǎng)絲束也是無捻狀態(tài),主要取決于獨(dú)特的加工技術(shù)及XPUTF4-1型長(zhǎng)絲束特種加捻設(shè)備的特殊結(jié)構(gòu)。

圖5是不同包纏捻度下碳纖維長(zhǎng)絲束和玻璃纖維長(zhǎng)絲束伸長(zhǎng)率與強(qiáng)力示意圖,由圖5可知,玻碳包纏紗內(nèi)的芯紗,玻璃纖維長(zhǎng)絲束的伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)力并沒有變化。作為外部包纏纖維,碳纖維長(zhǎng)絲束的伸長(zhǎng)率隨著包纏捻度的增加逐步增加,由于碳纖維長(zhǎng)絲束是無捻狀態(tài),碳纖維長(zhǎng)絲束自身的強(qiáng)力并沒有發(fā)生變化,也就是說,碳纖維長(zhǎng)絲束的強(qiáng)力值并未發(fā)生改變,但是斷裂伸長(zhǎng)率的增加改變了碳纖維長(zhǎng)絲束的應(yīng)力應(yīng)變分布,其最大強(qiáng)力值處的位置發(fā)生改變,碳纖維長(zhǎng)絲束的最大強(qiáng)力在玻碳包纏紗中的強(qiáng)力貢獻(xiàn)位置不一樣,最終改變了玻碳包纏紗的強(qiáng)力分布規(guī)律及拉伸性能。

圖6是不同包纏捻度玻碳包纏紗和3 200 tex純玻璃纖維長(zhǎng)絲的斷裂伸長(zhǎng)率和總強(qiáng)力關(guān)系圖。由圖6可知,玻碳包纏紗的總強(qiáng)力較無捻玻碳并絲得到提升。

圖5 不同包纏捻度碳纖維和玻璃纖維伸長(zhǎng)率與強(qiáng)力示意圖

(1)與無捻玻碳并絲總強(qiáng)力相比,包纏捻度為3捻/m的玻碳包纏紗總強(qiáng)力平均值提高了13%,包纏捻度為20捻/m玻碳包纏紗總強(qiáng)力平均值提高了25%,包纏捻度為30捻/m玻碳包纏紗總強(qiáng)力平均值提高了18%。

(2)當(dāng)包纏捻度在3～20捻/m之間,玻碳包纏紗的總強(qiáng)力在對(duì)應(yīng)某一特定伸長(zhǎng)率區(qū)間大幅超過3 200 tex玻璃纖維的強(qiáng)力,與3 200 tex玻璃纖維長(zhǎng)絲束在該伸長(zhǎng)率區(qū)間的強(qiáng)力相比,包纏捻度為3捻/m玻碳包纏紗強(qiáng)力提高了10%,包纏捻度為20捻/m玻碳包纏紗強(qiáng)力提高了15%,包纏捻度為30捻/m玻碳包纏紗強(qiáng)力提高了10%。

(3)不采用無捻包纏技術(shù)時(shí),2 400 tex玻璃纖維與800 tex碳纖維直接混合,所得無捻玻碳并絲總強(qiáng)力小與3 200 tex玻璃纖維的強(qiáng)力。

圖6 不同包纏捻度玻碳包纏紗及純玻璃纖維長(zhǎng)絲束伸長(zhǎng)率和總強(qiáng)力關(guān)系圖

結(jié)合圖5和圖6分析可得:當(dāng)包纏捻度較低時(shí),碳纖維長(zhǎng)絲束的斷裂伸長(zhǎng)率維持在2%左右,玻璃纖維長(zhǎng)絲束的斷裂伸長(zhǎng)率為2%的強(qiáng)力僅為較低數(shù)值,二者在該斷裂伸長(zhǎng)率下的總強(qiáng)力僅提高了13%。隨著包纏捻度的逐漸升高,碳纖維長(zhǎng)絲束的斷裂伸長(zhǎng)率慢慢接近4.1%(玻璃纖維長(zhǎng)絲束的斷裂伸長(zhǎng)率),碳纖維的強(qiáng)力分布改變,碳纖維長(zhǎng)絲束的強(qiáng)力最大值逐漸接近玻璃纖維長(zhǎng)絲束的強(qiáng)力最大值處。在某一伸長(zhǎng)率區(qū)間,玻碳包纏紗的總強(qiáng)力會(huì)大幅超過3 200 tex玻璃纖維長(zhǎng)絲束的強(qiáng)力。當(dāng)包纏捻度較大時(shí),如30捻/m,碳纖維長(zhǎng)絲束的斷裂伸長(zhǎng)率已經(jīng)超過玻璃纖維長(zhǎng)絲束,玻璃纖維長(zhǎng)絲束先于碳纖維長(zhǎng)絲束斷裂。

本次試驗(yàn)的原料為2 400 tex玻璃纖維長(zhǎng)絲束和800 tex碳纖維長(zhǎng)絲束,玻碳的混合質(zhì)量比為3∶1,若換做其他高性能纖維,無捻包纏技術(shù)也完全能滿足其強(qiáng)力提升需求。就設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間而言,玻碳包纏紗中碳纖維的強(qiáng)力最大利用率區(qū)間所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率區(qū)間為1%,在常用受力區(qū)間所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間內(nèi),碳纖維的強(qiáng)力最大利用率區(qū)間所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率區(qū)間能作用在玻璃纖維長(zhǎng)絲束伸長(zhǎng)率為2%到20%區(qū)間內(nèi),如果常用受力區(qū)間所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率區(qū)間大于1%,那么外層包纏纖維需更換材料以滿足要求。在該伸長(zhǎng)率區(qū)間內(nèi),可以使得混合纖維的強(qiáng)力大幅領(lǐng)先于原始單一高性能纖維。核心原因?yàn)闊o捻包纏技術(shù)可以調(diào)節(jié)外層包纏纖維的伸長(zhǎng)率,使得其強(qiáng)力峰值對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率接近設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間的最右端,此時(shí)芯層和外層包纏纖維在設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)的強(qiáng)力值都達(dá)到最大,最終混合纖維的強(qiáng)力在設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間內(nèi),大幅領(lǐng)先于原始纖維。換句話說,考慮復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用,在常用受力不變的情況下,復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率會(huì)大大降低,剛度得到改善,而且復(fù)合材料應(yīng)對(duì)持續(xù)強(qiáng)力的能力也提高,最終產(chǎn)品的抗疲勞性能會(huì)大幅改善。

3 結(jié)論

(1)無捻包纏技術(shù)解決了在預(yù)制件中2種及以上高性能纖維長(zhǎng)絲束混合時(shí),2種無捻長(zhǎng)絲在紗線各個(gè)微段及整體上同時(shí)受力且強(qiáng)力分布均勻的難題。

(2)無捻包纏技術(shù)可以任意調(diào)節(jié)外部包纏長(zhǎng)絲的斷裂伸長(zhǎng)率,改變后期預(yù)制件合成強(qiáng)力分布,使外部包纏長(zhǎng)絲斷裂強(qiáng)力峰值移動(dòng)到設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間內(nèi)右側(cè),提高了拉伸差異混合纖維預(yù)制件在設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間的總強(qiáng)力,同時(shí)玻碳包纏紗的拉伸模量提高。

(3)就設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間而言,碳纖維的強(qiáng)力最大利用率區(qū)間所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率區(qū)間為1%,在常用受力區(qū)間所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)率區(qū)間內(nèi),碳纖維的強(qiáng)力最大利用率區(qū)間所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率區(qū)間能作用在玻璃纖維長(zhǎng)絲束伸長(zhǎng)率為2%到20%區(qū)間內(nèi),如果常用受力區(qū)間所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率區(qū)間大于1%,那么外層包纏纖維需更換材料以滿足要求。

(4)無捻包纏技術(shù)為混合纖維及復(fù)合材料拉伸性能的提升提供了新方法,在常用受力不變的情況下,復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率會(huì)大大降低,剛度得到增大而受外力振幅減小,玻碳混合纖維復(fù)合材料使用無捻包纏技術(shù)后,抗疲勞性能提高2～3倍,對(duì)2種及2種以上混合纖維預(yù)制件及其復(fù)合材料和最終產(chǎn)品的抗疲勞性能的改善有著巨大作用。如果采用無捻包纏技術(shù),能最大程度保留2種混合纖維中原始纖維的優(yōu)良性能。