玄武巖纖維多軸向經(jīng)編增強復(fù)合材料力學性能研究

王朋勃，朱文斗，胡曉娜，曹雪飛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 輕工與紡織學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

與傳統(tǒng)材料相比，纖維增強聚合物復(fù)合材料(FRP)具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強度與比模量[1-3]，近年來被廣泛應(yīng)用于橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施的加固與增強[4-7]。結(jié)合玄武巖纖維的特點，用環(huán)氧樹脂制備玄武巖纖維復(fù)合材料，其性能遠高于鋼材，且成本低于其他纖維和鋼材，直接提高了工件的穩(wěn)定性耐用性和經(jīng)濟效益[8-9]。

本文以玄武巖纖維單軸向、雙軸向、四軸向經(jīng)編織物為增強體，環(huán)氧樹脂為基體，通過VARTM工藝實現(xiàn)復(fù)合材料成型。測試復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能，對比研究三種軸向經(jīng)編復(fù)合材料沿不同軸向的力學性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與工藝

(1)成型工藝：采用VARTM工藝成型多軸向經(jīng)編復(fù)合材料，利用真空負壓原理將樹脂浸潤織物，固化成型。

(2)基體：選用上緯(天津)風電材料有限公司生產(chǎn)的E-2511環(huán)氧樹脂。2511-1A環(huán)氧樹脂與2511-1BT固化劑質(zhì)量比為100∶ 30。

(3)增強體：選用單軸向、雙軸向、四軸向經(jīng)編布，其中單軸向布為90°方向，實驗原材料為玄武巖纖維無堿無捻粗紗，具有良好的機械性能。玄武巖纖維的性能參數(shù)如表1，三種玄武巖經(jīng)編布增強體參數(shù)如表2所示，實物圖見圖1。

表1 玄武巖纖維性能參數(shù)

表2 玄武巖經(jīng)編布增強體參數(shù)

圖1 增強體實物

1.2 試樣制備

分別用4層單軸向經(jīng)編玄武巖纖維織物(同向鋪放)、2層雙軸向經(jīng)編玄武巖纖維織物( 同向鋪放) 和1層四軸向經(jīng)編玄武巖纖維織物，在真空度為-0.095 MPa 且保壓效果良好時進行基體灌注，灌注完成后在常溫下固化48 h，得到三種復(fù)合材料試樣。

1.3 拉伸試驗

拉伸實驗參照GB/T1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》、GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，沿0°和90°方向制備250mm×25mm的試樣。分別對雙軸向、四軸向經(jīng)編復(fù)合材料試樣進行拉伸性能測試，由于單軸向經(jīng)編織物特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)導(dǎo)致沿0°方向不具備研究價值，所以僅研究90°方向。實驗儀器使用的是WDW-100KN型微機控制電子萬能試驗機，將拉伸試樣沿試樣軸向勻速施加靜態(tài)拉伸載荷，加載速度為2mm/min，直至試樣斷裂。根據(jù)拉伸載荷-位移數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進而可以確定材料的拉伸強度和彈性模量。

1.4 彎曲試驗

彎曲實驗參照GB/T2567-1995、GB/T2570-2005以及GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，采用三點加載簡易支梁法進行，在0°和90°方向制得130mm×15mm的試樣。實驗儀器使用的是WDW-100KN型微機控制電子萬能試驗機，加載速度為1mm/min,直至試樣破壞或達到預(yù)定撓度。根據(jù)彎曲載荷-位移數(shù)據(jù)繪制彎曲應(yīng)力-撓度曲線，進而可以確定材料的彎曲強度、彈性模量。

實驗采用無約束支撐，通過三點彎曲，實驗示意如圖1所示，在實驗中試樣下表面受到拉伸，上表面則受到壓縮。

圖2 三點彎曲示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

表3 拉伸性能參數(shù)

圖3 試樣0°方向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如表3所示，復(fù)合材料拉伸測試數(shù)據(jù)得出拉伸強度、模量的大小關(guān)系為沿0°方向雙軸向的拉伸強度比四軸向高28.13%，沿90°方向單軸向拉伸強度比雙軸向高22.94%，比四軸向高58.64%。如圖3、圖4所示，少軸向的經(jīng)編復(fù)合材料比多軸向經(jīng)編復(fù)合材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的拉伸性能，主要受增強體織物組份紗線束的細度和數(shù)量影響。當復(fù)合材料試件某一方向受到拉伸載荷時，與軸向拉伸方向平行的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，其他軸向上的紗線束不受力或呈相互交錯的結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料拉伸時只起到支撐的作用，因此會出現(xiàn)軸向越少的經(jīng)編復(fù)合材料拉伸強度越大的結(jié)果。

圖4 試樣90°方向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 彎曲性能

表4 彎曲性能參數(shù)

圖5 試樣0°方向彎曲應(yīng)力-撓度曲線

圖6 試樣90°方向彎曲應(yīng)力-撓度曲線

如表4所示，復(fù)合材料彎曲測試數(shù)據(jù)得出彎曲強度、模量的大小關(guān)系為沿0°方向雙軸向的彎曲強度比四軸向高10.59%，沿90°方向單軸向的彎曲強度比雙軸向高21.02%比四軸向高63.46%。如圖5、6所示，少軸向的經(jīng)編復(fù)合材料比多軸向經(jīng)編復(fù)合材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的彎曲性能，主要受增強體紗線束的細度、數(shù)量及紗束間的排列結(jié)構(gòu)影響。與彎曲載荷軸向方向相垂直的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，彎曲實驗中起支撐作用的紗線束在承受彎曲載荷時，可以發(fā)揮"均衡載荷"的作用。當軸向越多時，起支撐作用的紗線束排列越復(fù)雜載荷承受能力反而下降，導(dǎo)致彎曲強度減小越嚴重，因此會出現(xiàn)軸向越少的經(jīng)編復(fù)合材料彎曲性能越好的結(jié)果。

3 結(jié)語

玄武巖多軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸測試數(shù)據(jù)得出沿0°方向拉伸強度、模量的大小關(guān)系為雙軸向>多軸向，沿90°方向拉伸強度、模量的大小關(guān)系為單軸向>雙軸向>多軸向，當復(fù)合材料某一方向受拉伸載荷時，充當主承力結(jié)構(gòu)紗線束的拉伸強度決定了復(fù)合材料的拉伸強度。

玄武巖多軸向經(jīng)編復(fù)合材料彎曲測試數(shù)據(jù)得出沿0°方向彎曲強度、模量的大小關(guān)系為雙軸向>多軸向，沿90°方向彎曲強度、模量的大小關(guān)系為單軸向>雙軸向>多軸向，當復(fù)合材料受彎曲載荷時，除了主承力結(jié)構(gòu)紗線束的彎曲強度外，主承力結(jié)構(gòu)紗線束與輔助紗線之間的排列結(jié)構(gòu)也是影響復(fù)合材料彎曲強度的重要因素。