編織方法對玄武巖纖維增強樹脂基復合材料力學性能的影響

魯媛媛，廖 凱，孟志新

(西安航空學院 材料工程學院，西安 710077)

0 引言

樹脂基復合材料因質輕、力學性能優(yōu)異等特點在航空航天及民用領域得到了快速發(fā)展[1-3]。玄武巖纖維是由天然玄武巖礦石破碎以后放入熔窯內并在1450℃～1500℃熔融，再通過拉絲、冷卻而成的[4-5]。玄武巖纖維有著優(yōu)良的耐高溫性和耐蝕性，其應用溫度在-260℃～900℃，與只能在-60℃～350℃范圍內使用的玻璃纖維相比具有更廣闊的應用前景[6]。除此之外，玄武巖纖維原料還有來源廣、價格低廉、穩(wěn)定性好和環(huán)境良好等一系列優(yōu)點[7]，使得其在一定領域可以替代昂貴的碳纖維，具有較高的經(jīng)濟效益。隨著生產(chǎn)技術不斷趨于成熟，玄武巖纖維已很好地應用于道路、橋梁等建筑領域[8-9]。

復合材料通常由基體和增強體組成，其中增強體的形態(tài)可以分為顆粒狀、片狀、纖維狀和編織物，增強體的形態(tài)在很大程度上影響著復合材料的性能[10-11]。即使增強體同樣為編織物，其編織方法的不同也會使復合材料的力學性能發(fā)生很大變化。玄武巖纖維作為復合材料的增強體大多是以編織物的形式存在，而隨著紡織業(yè)的發(fā)展，越來越多的纖維編織方法隨之而生。纖維織物增強復合材料的原理是通過紡織技術將性能優(yōu)良的纖維編織成具有復雜幾何結構的整體，通常被用作樹脂基復合材料的增強體。樹脂基復合材料的力學性能很大程度上取決于增強體與樹脂之間的界面結合強度[12-13]。當復合材料受到外力時，作用在樹脂基體上的載荷將會傳遞給增強體，從而提升復合材料的力學性能[14]。因此，探究玄武巖纖維編織方法對其樹脂基復合材料力學性能的影響具有重要意義。

本文主要采用平紋和斜紋兩種編織方法的玄武巖纖維制備出的環(huán)氧樹脂基復合材料，通過三點彎曲、拉伸等方法檢測其力學性能，并利用掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌，探究纖維編織方法對其增強樹脂基復合材料力學性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 主要原料

采用的主要原料為：平紋和斜紋編織的玄武巖纖維布、E51(618)環(huán)氧樹脂、D-230固化劑、消泡劑。環(huán)氧樹脂和固化劑的配比：根據(jù)計算公式(胺用量=活潑氫當量×環(huán)氧值)，環(huán)氧樹脂的平均環(huán)氧值為0.51，固化劑D-230的活潑氫當量為61g/eq，因此100g的E-51環(huán)氧樹脂需要D-230固化劑用量為31.1g。

1.2 制備方法

選取預浸料鋪層熱壓法作為本次實驗制備玄武巖纖維增強樹脂基復合材料的方法，分別將裁剪好的平紋和斜紋玄武巖纖維布鋪入模具，且每鋪一層澆鑄上配比好的環(huán)氧樹脂與固化劑浸漬液，將其均勻推開，重復上述步驟，直到試樣達到一定厚度。之后在一定的壓力和溫度下熱壓燒結，并在冷卻后脫模得到兩組玄武巖纖維增強樹脂基復合材料。

1.3 分析方法

分別采用QJ211S型三點彎曲設備、sans CMT-5304型拉伸試驗機對試樣進行彎曲性能、拉伸性能測試，檢測條件和試樣尺寸均按照國家標準(GB/T 1449-2005[15]和GB/T 3354-2014[16])執(zhí)行；之后利用JMS-6510A型掃描電子顯微鏡對拉伸試樣的斷口形貌進行觀察分析。

2 結果與討論

2.1 纖維重量比計算

重量比是一種物質占混合物的比重，通過重量比的計算可以得出纖維增強體在復合材料中所占的比重。

制備復合材料的過程中，稱得平紋玄武巖纖維布重量為120.3 g，所得復合材料總重為213.6 g，經(jīng)計算可得纖維占復合材料的56.3 wt%；而使用斜紋玄武巖纖維布重量為137.1 g，制備的復合材料重212.5 g，可計算出纖維占復合材料的64.53 wt%。

平紋編織方法交織點多、表面較為平整，但密度不太高，較為輕??；斜紋編織方法有明顯的斜向紋路，且紋路較深、結構復雜，排列上呈周期性變化。相對而言，斜紋織物更為致密、耐磨，因此，斜紋玄武巖纖維增強樹脂基復合材料中的纖維重量比更大。

2.2 力學性能

2.2.1 三點彎曲分析

圖1為平紋和斜紋復合材料在三點彎曲過程中的載荷-位移曲線圖。彎曲時試樣發(fā)生了彎曲-剪切混合變形，界面剪應力較強。

通過圖1曲線可以看出，試驗前期載荷隨著位移量的增大呈線性增加。其中平紋復合材料在載荷增加到0.4 kN時，載荷隨位移的增加速率逐漸減緩，此時試樣發(fā)出吱吱聲，并且樹脂開始發(fā)生斷裂，而斜紋復合材料的載荷仍然呈線性增加。當位移達到彎曲最大載荷后，復合材料出現(xiàn)非線性破壞形式，直至整個材料發(fā)生破壞。斷裂時斜紋復合材料發(fā)出巨大響聲，并且載荷量呈直線下降，界面突然大面積的分層，其載荷已經(jīng)達到1.25 kN。當位移達到6 mm左右時，平紋復合材料也發(fā)出響聲，但響度明顯較弱，隨后載荷隨著位移的增加而緩慢下降，期間伴有斷斷續(xù)續(xù)的撕裂聲。

圖1不同編織方法制得復合材料的三點彎曲載荷-位移曲線圖

三點彎曲試驗過程中，平紋復合材料的載荷之所以沒有像斜紋復合材料那樣隨著位移量增加而直線下滑，原因是在彎曲初始階段材料整體承載，基體與纖維發(fā)生彈性形變，隨后才開始產(chǎn)生破壞。當材料受到極限載荷時，纖維未發(fā)生全部斷裂，所以當載荷持續(xù)時，剩下未斷裂的纖維將繼續(xù)承受載荷，再經(jīng)過一段時間后，樹脂基復合材料才最終發(fā)生斷裂。相比于平紋復合材料，斜紋復合材料的極限載荷更大，甚至是平紋復合材料極限載荷的兩倍多。

對三點彎曲載荷-位移曲線進行計算，可得復合材料的彎曲強度和彎曲彈性模量，如表1所示。

表1 不同編織復合材料的彎曲強度和彎曲彈性模量

表中數(shù)據(jù)顯示，不同編織方法的玄武巖纖維布所制備的樹脂基復合材料在力學性能上有明顯的差異，斜紋織物增強的樹脂基復合材料試樣所能承受的最大載荷為1.25 kN，而平紋織物樹脂基復合材料試樣所能承受的最大載荷只有0.56 kN，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，斜紋樹脂基復合材料的彎曲強度是平紋織物樹脂基復合材料的2.2倍。

2.2.2 拉伸試驗分析

將兩組復合材料進行拉伸試驗，所得力-位移曲線分布如圖2所示。

從圖2可以看出，在初始拉伸階段(位移小于0.4 mm時)，載荷隨位移的增加快速上升，說明此時材料處于彈性變化階段。當位移大于0.4 mm時，載荷的增加趨勢有所減緩，但仍呈線性增長。當有拐點出現(xiàn)時，說明材料發(fā)生了不可恢復的破壞。結果表明，斜紋玄武巖纖維布增強的復合材料在破壞時所對應的位移小于平紋復合材料破壞時的位移，但其對應的載荷大于平紋復合材料。

對拉伸力-位移曲線進行計算，可得復合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量，具體數(shù)值見表2所示。

圖2不同編織方法制得復合材料的拉伸力-位移曲線圖

表2 不同編織復合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量

由表2中的數(shù)值可知，斜紋玄武巖纖維布所制備的樹脂基復合材料所承受的最大力、拉伸彈性模量以及拉伸強度均比平紋玄武巖纖維布增強的復合材料有所提升，尤其是拉伸彈性模量增加了1.5倍。

2.3 斷口形貌分析

圖3是對不同編織方法制得復合材料的拉伸斷口邊緣區(qū)域形貌進行觀察的SEM照片。

圖3平紋(a)和斜紋(b)編織方法制備復合材料的拉伸斷口邊緣區(qū)域形貌(1) 30×；(2) 100×；(3) 300×

從圖3可以明顯看到，復合材料的斷口邊緣大都以纖維的斷裂和部分纖維的拔出為主。圖3(a1)為平紋復合材料斷口放大30倍時的形貌，通過圖片可以看出斷口參差不齊，在可觀察范圍內只有少量的樹脂夾在纖維束之間，而纖維束伸出較長，且已不再集中；將圖3(a1)放大得到圖3(a2)，可以發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維束非常松散且雜亂無章，纖維與樹脂的界面完全分離；進一步放大如圖3(a3)所示，可以清晰地觀察到玄武巖纖維的表面比較光滑，斷裂后只有少部分的樹脂附著在上面。

而從圖3(b1)中可明顯看出，斜紋復合材料的斷口處較為平齊，纖維伸長量大大減少且纖維束仍緊湊，同時纖維與樹脂的脫離現(xiàn)象較平紋復合材料明顯減少；圖3(b2)和(b3) 也顯示出即使在斷口邊緣區(qū)域，也有部分纖維與樹脂仍未脫離，并且被拔出的纖維中也仍然夾雜著較多的樹脂碎片。這些都說明了編織方法的改變可以有效的提高纖維與樹脂之間的結合強度，提高材料界面之間的粘結性[17]。當復合材料受到拉伸時，樹脂與基體之間好的界面結合使得應力能有效地從基體傳遞到纖維上，使力學性能較好的玄武巖纖維作為應力的主要承載者，從而明顯地提升復合材料的力學性能[18-19]。

為了進一步分析兩種編織方法下制備的復合材料的斷裂機制，對兩組復合材料拉伸斷口的內部區(qū)域同樣在不同倍數(shù)下進行了觀察，其微觀形貌圖如圖4所示。

圖4平紋(a)和斜紋(b)編織方法制備復合材料的拉伸斷口內部區(qū)域形貌(1) 30×；(2) 100×；(3) 500×

圖4(a1)為平紋復合材料斷口內部的宏觀形貌，可以看出，在距斷面的一定深度處，復合材料內部便已出現(xiàn)明顯的裂紋，與樹脂脫離的纖維開始松散，盡管此時材料內部仍存在樹脂和纖維結合較好的部分區(qū)域；觀察纖維與樹脂結合界面處的微觀區(qū)域(如圖4中a2和a3所示)發(fā)現(xiàn)，纖維與樹脂實際上已經(jīng)開始脫離，其結合程度在拉伸載荷下嚴重削弱，脫離出來的纖維上也幾乎沒有附著樹脂。這說明平紋織物制備的玄武巖纖維增強樹脂基復合材料在受到載荷時，樹脂基體不能很好地將應力轉移到纖維上，沒有充分體現(xiàn)出玄武巖纖維作為增強體的作用。對比平紋復合材料的斷口形貌，斜紋復合材料斷面處的裂紋小且淺(如圖4中b1所示)，尚未發(fā)現(xiàn)大面積纖維脫離的現(xiàn)象；微觀分析斷口內部區(qū)域纖維與樹脂的結合界面(見圖4中b2和a3)發(fā)現(xiàn)，即使靠近拉伸斷口，此處的纖維與樹脂之間仍結合緊密，這說明樹脂已經(jīng)很好地浸入到纖維布中，且兩者形成了較強的結合界面。當受到拉伸載荷時，樹脂基體能夠有效地將應力傳送給纖維增強體，最終達到提高復合材料強度的目的。

綜合以上分析，說明不同編織方法下玄武巖纖維與樹脂的結合情況有較大差別，這主要是由纖維編織的幾何結構決定的。斜紋編織方法使得玄武巖纖維的致密性、纖維體積含量、纖維與樹脂的可接觸面積均比平紋織物要高，當纖維與樹脂結合時，樹脂有更多的途徑滲入到斜紋織物的纖維束中，因此，斜紋織物中纖維與樹脂的結合程度要高于平紋織物，其制備的樹脂基復合材料的強度也優(yōu)于平紋織物制備的樹脂基復合材料。

3 結論

(1)通過重量比計算，發(fā)現(xiàn)斜紋玄武巖纖維增強樹脂基復合材料中的纖維重量比更大，這是因為斜紋織物的致密性要好于平紋織物。

(2)在彎曲和拉伸過程中，斜紋玄武巖纖維增強樹脂基復合材料所承受的最大載荷均明顯大于平紋玄武巖纖維增強樹脂基復合材料，并且斜紋復合材料的彎曲強度和抗拉強度也高于平紋復合材料，表明斜紋復合材料具有更好的力學性能。

(3)斷口形貌顯示，斜紋玄武巖纖維布與樹脂基體間具有更好的界面結合。平紋纖維復合材料斷口區(qū)域的纖維拉出較長，纖維之間的樹脂已經(jīng)剝離且消失；而斜紋纖維復合材料斷口區(qū)域的纖維拉出較短，且纖維之間仍有部分樹脂存在。