碳?；祀s纖維復(fù)合材料力學(xué)和樹脂浸潤研究

劉小芳，張 元，梁自祿，喻 雄,譚帥霞,王 進(jìn)

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412000)

0 前言

混雜纖維復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，主要作用在于取長補(bǔ)短，優(yōu)化功能和降低成本。碳玻混雜纖維的應(yīng)用主要是為了降低碳纖維制品的成本，提高玻璃纖維制品的剛度、降低質(zhì)量[1-3]。目前已有少量文獻(xiàn)報(bào)道碳?；祀s纖維復(fù)合材料的研究。曾帥等[4]研究了單向不同混雜纖維結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的力學(xué)性能，馬騰等[5]研究了單向混雜纖維復(fù)合材料的拉伸破壞模式，黃博生等[6]研究了混雜纖維復(fù)合材料的混雜效應(yīng)，戴明軍等[7]研究了單向混雜纖維復(fù)合材料的疲勞性能等。除了單向混雜纖維復(fù)合材料的研究外[8-9]，徐歡歡等[10-11]研究了多向混雜纖維復(fù)合材料的拉壓力學(xué)性能，錢元等[12]研究了正交三向混雜纖維復(fù)合材料。此外，Jalalvand M等[13-14]模擬了碳玻混雜纖維復(fù)合材料的破壞模式和建立纖維束單胞模型，研究了碳?；祀s纖維復(fù)合材料的拉伸和壓縮性能?，F(xiàn)有公開報(bào)道的文獻(xiàn)中，較少涉及混雜纖維對(duì)樹脂浸潤性和混雜纖維復(fù)合材料工藝性能的研究。筆者除了系統(tǒng)性地研究了碳?；祀s纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，還重點(diǎn)研究了碳玻混雜纖維復(fù)合材料濕熱老化性能和樹脂浸潤性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料

環(huán)氧樹脂，Olin760；碳纖維，中復(fù)神鷹，SYT49，12k；玻璃纖維，CPIC，TM+468GE。

碳玻混雜纖維通過層間混雜的方式織成碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11%(面密度為1 450 g/m2)、30%(面密度為1 350 g/m2)、50%(面密度為550 g/m2)的單向混雜纖維布。

1.2 試樣制備

以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳?；祀s纖維單軸布，真空袋壓工藝制作復(fù)合材料板材，復(fù)合材料固化條件為：真空負(fù)壓-950±25 kPa，25 ℃，預(yù)固化50 ℃，保溫5 h，后固化80 ℃，保溫8 h。復(fù)合材料板材按照國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行裁切。

1.3 測試設(shè)備和條件

拉伸性能：按照ISO 527—2012《塑料 拉伸性能測定》進(jìn)行測試，加載速率為2 mm/min，萬能試驗(yàn)機(jī)INSTRON 8801。

壓縮性能：按照ISO 14126—1999《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料面內(nèi)壓縮性能測定》進(jìn)行測試，加載速率為1 mm/min，萬能試驗(yàn)機(jī)INSTRON 8801。

面內(nèi)剪切：按照ISO 14129—1997《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 用±45°張力試驗(yàn)測定平面剪應(yīng)力/剪應(yīng)變特性，包括平面剪切模量和剪切強(qiáng)度》進(jìn)行測試，加載速率為2 mm/min，萬能試驗(yàn)機(jī)INSTRON 8801。

彎曲性能：按照ISO 14125—1998《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物彎曲性能測定》進(jìn)行測試，加載速率為1 mm/min，萬能試驗(yàn)機(jī)INSTRON 5967。

短梁剪切：按照ISO 14130—1997《纖維增強(qiáng)塑料短梁法層間剪切強(qiáng)度測定》進(jìn)行測試，加載速率為1 mm/min，萬能試驗(yàn)機(jī)INSTRON 5967。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳玻混雜纖維復(fù)合材料基本力學(xué)性能分析

對(duì)不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究，得到各碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的混雜復(fù)合材料的0°拉伸、90°拉伸、0°壓縮、90°壓縮、剪切性能和彎曲性能等基本力學(xué)性能參數(shù)(見表1)。

表1 不同混雜比復(fù)合材料力學(xué)性能

通過對(duì)比玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可知，碳?；祀s纖維0°拉伸強(qiáng)度并不與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈遞增趨勢(見圖1)。在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，碳?；祀s纖維0°拉伸強(qiáng)度由于纖維混雜效應(yīng)[6]，會(huì)略微降低。這是因?yàn)閷?duì)于單向混雜纖維復(fù)合材料軸向拉伸來說，低延伸率的碳纖維首先被破壞，此時(shí)碳纖維屬于雜質(zhì)，剩下的玻璃纖維部分或整個(gè)樣件被破壞，其強(qiáng)度比同樣尺寸規(guī)格的玻璃纖維復(fù)合材料強(qiáng)度低。當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，碳?；祀s纖維0°拉伸強(qiáng)度隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。

圖1 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0°拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

無論對(duì)于0°拉伸還是壓縮來說，碳?；祀s纖維復(fù)合材料的模量隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，但并不呈線性關(guān)系(見圖2、圖3)。

圖2 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0°拉伸模量的關(guān)系

圖3 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0°壓縮模量的關(guān)系

當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，混雜復(fù)合材料模量與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈線性關(guān)系。當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，模量增大趨勢減緩，尤其是碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)，混雜纖維復(fù)合材料模量增加效果明顯降低。

碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與剪切強(qiáng)度的關(guān)系見圖4。由圖4可見，碳?；祀s纖維剪切強(qiáng)度隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而略有增大。與模量增加的趨勢剛好相反，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，混雜纖維復(fù)合材料剪切強(qiáng)度隨碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加平緩，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)，混雜纖維復(fù)合材料剪切強(qiáng)度增長稍大，增幅達(dá)到16%。

圖4 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與剪切強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 碳?；祀s纖維濕熱老化性能

對(duì)碳?；祀s纖維復(fù)合材料樣條進(jìn)行濕熱交變老化性能研究，老化條件為：1.5 h內(nèi)溫濕度轉(zhuǎn)換成60 ℃、相對(duì)濕度為95%，保持10.5 h，1.5 h內(nèi)溫濕度轉(zhuǎn)換成25 ℃、相對(duì)濕度為95%，保持10.5 h。如此循環(huán)，得到濕熱交變老化下碳?；祀s纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能(見表2)。

從表2可以看出：除了個(gè)別數(shù)據(jù)外，0°拉伸強(qiáng)度和90°拉伸模量在濕熱老化前后變化較小。在老化21 d后，混雜復(fù)合材料0°拉伸模量相比老化前變化較小，而在老化28 d后拉伸模量急劇提高50%，這說明樹脂老化28 d后提高了軸向方向復(fù)合材料的剛度。

在老化28 d后90°方向拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別降低了26%和28%，這主要是濕熱老化對(duì)纖維界面性能的影響所造成的。進(jìn)一步分析表明：90°拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度在濕熱老化6 d后，其性能同時(shí)急劇降低，再隨著老化時(shí)間的增加，性能基本穩(wěn)定，這說明纖維界面性能對(duì)濕熱等環(huán)境因素十分敏感。

2.3 碳?；祀s纖維樹脂浸潤性

采用碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的碳?；祀s纖維布與玻璃纖維布進(jìn)行灌注工藝研究，兩種布的玻璃纖維材料一致，基體材料皆采用陶氏760E，得到的結(jié)果見表3。從表3可看出，碳玻混雜纖維的樹脂浸潤速度明顯比玻璃纖維低，這是幾方面原因造成的：(1)碳纖維表面是惰性碳元素，雖然碳纖維制備過程中有上漿劑改善其表面活性，提高纖維與樹脂的浸潤性和界面結(jié)合性能，但是與玻璃纖維表面豐富的羥基等極性基團(tuán)相比仍然遜色很多；(2)玻璃纖維直徑約17 μm，而碳纖維直徑只有7 μm，碳纖維布更致密，影響樹脂流動(dòng)。

表2 濕熱交變老化下碳?；祀s纖維復(fù)合材料力學(xué)性能

表3 玻纖布和碳?；祀s布灌注參數(shù)比較

玻璃纖維0°方向上樹脂浸潤速度為4.34 cm2/s，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的碳玻混雜纖維的浸潤速度3.76 cm2/s，混雜纖維的樹脂浸潤速度降低了13%。同樣，對(duì)于90°方向上的樹脂浸潤的流速分別是0.91 cm2/s(玻璃纖維)、0.71 cm2/s(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的碳?；祀s纖維)，混雜纖維的樹脂浸潤流速降低了22%。

3 結(jié)語

(1) 總的來說，除了拉伸強(qiáng)度的混雜效應(yīng)外，碳?；祀s復(fù)合材料的基本力學(xué)性能性能隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增加。當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，混雜復(fù)合材料模量與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈線性增長關(guān)系，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)，混雜纖維復(fù)合材料模量增加效果明顯降低。

(2) 不同混雜比的復(fù)合材料老化28 d后， 0°方向拉伸模量增加50%，90°方向拉伸強(qiáng)度降低26%，剪切強(qiáng)度降低28%，濕熱對(duì)纖維界面性能影響較大。

(3) 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的碳?；祀s纖維在0°和90°方向上樹脂灌注速度比玻璃纖維分別降低13%和22%。