短纖維層間增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料層板的力學(xué)研究

劉曉軍，單忠德，戰(zhàn)麗，張群，范聰澤，梁美芹

(1.北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京 100083； 2.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044；3.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

碳纖維復(fù)合材料各層之間僅靠基體樹脂粘結(jié)，性能較弱，在沖擊等載荷作用下易發(fā)生脆性斷裂進(jìn)而導(dǎo)致材料分層破壞，這是此類材料最基本的損傷斷裂形式[1–2]。隨著國內(nèi)外對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料性能的要求不斷提升，改善復(fù)合材料的層間性能顯得尤為重要[3]。碳纖維復(fù)合材料層間纖維增強(qiáng)技術(shù)已得到一定研究，在模擬研究方面，張鳳鵬、劉大成等[4–6]建立了復(fù)合材料層合板三維有限元模型及層間短纖維模型，分析了層間短纖維的橋聯(lián)作用對(duì)復(fù)合材料裂尖應(yīng)力場(chǎng)和能量釋放率的影響，結(jié)果表明短纖維發(fā)揮了明顯橋聯(lián)作用，增韌效果明顯。在實(shí)驗(yàn)研究方面，益小蘇等[7]采用基體樹脂與增韌樹脂“離位”技術(shù)，在雙馬來酰亞胺／碳纖維單向織物復(fù)合材料層壓板中間加入聚芳醚酮增韌劑織物，研究了復(fù)合材料層壓板的Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性等性能，結(jié)果表明層壓板的層間韌性等性能均有顯著提高。同樣地，從“離位增韌”思想出發(fā)，張朋等[8]選用具有高孔隙率的尼龍無紡布(PNF)作為結(jié)構(gòu)化增韌層，采用RTM工藝制備了PNF層間增韌改性的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，研究了其韌性相關(guān)性能和增韌機(jī)制。結(jié)果表明復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂韌性和Ⅱ型層間斷裂韌性分別提高了1.1倍和1.4倍。Y. A. Dzenis等[9–11]首先提出用靜電紡納米纖維實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的層間增韌，使層間剪切強(qiáng)度和抗脫層能力得到顯著提高，并研究了在靜態(tài)載荷、沖擊載荷下聚苯并咪唑納米纖維對(duì)復(fù)合材料層合板層間斷裂韌性、強(qiáng)度以及抗分層破壞的影響，結(jié)果表明層間納米纖維的引入使層合板Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂的臨界能量釋放率分別提高了130%和15%。類似地，S. Sihn等[12–13]在復(fù)合材料層間夾入由靜電紡絲技術(shù)制備的聚碳酸酯，使分層破壞起始應(yīng)力提高8.1%，并使分層裂紋減少21.6%。M. S. Sohn等[14–16]在傳統(tǒng)的層板鋪層過程中將少量短纖維加入單層之間，可以使Ⅰ型層間斷裂韌性提高1倍以上，此外，方立[17]、莫正才等[18–19]分別研究了短纖維增強(qiáng)聚丙烯薄膜夾層、苧麻短纖維對(duì)復(fù)合材料層間性能的影響，研究結(jié)果均表明層間短纖維的鋪入明顯改善了復(fù)合材料層間斷裂韌性。

筆者采用自制的能夠?qū)崿F(xiàn)定量均勻鋪放的短切纖維鋪放裝置，制備了層間含不同面密度短切纖維的預(yù)制體，并采用真空輔助樹脂灌注(VARI)成型方式浸漬后高溫固化，得到層間含不同面密度短切纖維的碳纖維復(fù)合材料層合板，研究了不同面密度短切纖維含量對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板拉伸、彎曲以及層間剪切強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

斜紋3k T300碳纖維布：?jiǎn)螌雍穸?.23 mm，200 g／m2，廣州卡本復(fù)合材料有限公司；

環(huán)氧樹脂：ARALDITE LY 1564 SP CIN，亨斯邁先進(jìn)化工材料(南京)有限公司；

環(huán)氧樹脂固化劑：ARADUR 3486 BLUE CI，亨斯邁先進(jìn)化工材料(廣東)有限公司；

短切碳纖維：日本東麗50目，纖維長度0.3～0.5 mm，纖維直徑6 μm，上海力碩復(fù)合材料科技有限公司；

球閥開關(guān)：雙頭插口球閥，外徑8 mm，浙江左圓右方五金產(chǎn)品有限公司；

聚四氟乙烯管：RX–SFG002，8 mm×10 mm，泰州市華陽化工科技有限公司；

真空袋膜密封膠條：3 mm×12 mm×7.5 m，耐溫204℃，保定瑞彼得復(fù)合材料有限公司；

真空袋：400 mm×500 mm，厚度0.32 mm，耐溫100℃，石家莊喜龍包裝有限公司；

丙酮：分析純，北京化工廠；

脫模劑：802 Release，美國艾克塞爾塑料研究實(shí)驗(yàn)室有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

圖1為自制的短切纖維鋪放裝置。

圖1 短切纖維鋪放裝置

真空干燥箱：DZF–6050型，北京中科環(huán)試儀器有限公司；

無油真空泵：二級(jí)1550D真空泵機(jī)頭，臺(tái)州奇博工具有限公司；

高溫固化爐：FCD320B型，中科富祺(北京)科技有限公司；

電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：5567型，美國Instron公司；

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)：Gemini500型，德國卡爾蔡司股份公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)用窄雙面膠帶將干纖維布分割成大小一致的方格，并剪裁成纖維布方條，如圖2a所示，用于隨后的層合板預(yù)制體鋪層。

(2)在鋪層預(yù)制體之前，用自制短切纖維鋪放裝置在每條纖維布方條上采用不斷稱量方式定量均勻鋪放短切纖維，其中，篩網(wǎng)來回進(jìn)給速度為8 mm／s，篩網(wǎng)震動(dòng)頻率為10 000次／min，鋪放好短切纖維的碳纖維布如圖2b所示。分別鋪放面密度分別為5，10，20，30，40 g／m2的碳纖維方條7塊。

圖2 碳纖維布的分格剪裁、鋪放效果及鋪放后的預(yù)制體

(3)對(duì)鋪放有不同面密度短纖維的纖維布方條進(jìn)行鋪層，每種面密度規(guī)格的纖維布方條分別鋪放7層，最后分別在每塊預(yù)制體的最上層鋪放一層未鋪放短纖維的纖維方條，得到5塊層數(shù)為8層、層間含短切纖維增強(qiáng)的碳纖維布預(yù)制體。另外，鋪放一塊層數(shù)為8層、層間不含短纖維增強(qiáng)的預(yù)制體作為對(duì)照組。

(4)將樹脂和樹脂固化劑按照體積比例4∶1進(jìn)行混合，并在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行抽氣泡處理，用于后續(xù)的樹脂浸漬。

(5)采用VARI成型對(duì)以上6塊預(yù)制體進(jìn)行樹脂浸漬，如圖3a所示。浸漬前使用丙酮對(duì)金屬板進(jìn)行清潔，并涂覆脫模劑。將6塊預(yù)制體放在同一金屬板上，并裝入真空袋中，用真空袋膜密封膠條進(jìn)行密封。真空袋兩端分別連接樹脂進(jìn)口管路和抽真空管路，兩管路上分別安裝球閥開關(guān)，以控制樹脂流速和抽氣速度。實(shí)驗(yàn)過程中浸漬時(shí)間約為8 h。

圖3 預(yù)制體的樹脂浸潤及固化完成的碳纖維復(fù)合材料層合板

(6)浸漬完成后，將包含有浸漬后預(yù)制體和金屬板的真空袋放入熱烘箱中進(jìn)行高溫固化，固化溫度為80℃，固化時(shí)間為4 h，固化完成的短纖維層間增強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料層合板如圖3b所示。重復(fù)上述步驟3次，得到相同工藝參數(shù)下的用于不同力學(xué)性能測(cè)試的層合板。

(7)按GB／T 1447–2005，GB／T 1449–2005 ，JC／T 773–2010，將固化好的碳纖維層合板進(jìn)行機(jī)加，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸、彎曲、層間剪切試件，在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行拉伸、彎曲、層間剪切性能測(cè)試，如圖4所示，拉伸、彎曲和層間剪切試驗(yàn)的加載速度分別為5，10，2 mm／min。最后將斷面在FESEM下觀察，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 試件的力學(xué)性能測(cè)試

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度隨短纖維鋪放面密度的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知，無短纖維層間增強(qiáng)試件的拉伸強(qiáng)度為451.79 MPa。當(dāng)短纖維鋪放面密度為5 g／m2時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度有小幅度提升，為477.64 MPa，相對(duì)于無短纖維層間增強(qiáng)試件提高了約5.72%。當(dāng)短纖維鋪放面密度大于等于10 g／m2時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，短纖維的加入對(duì)拉伸強(qiáng)度已無提升作用。當(dāng)鋪放面密度大于等于30 g／m2時(shí)，拉伸強(qiáng)度急劇減小。

圖5 拉伸強(qiáng)度隨短纖維鋪放面密度的變化趨勢(shì)

層間含不同面密度短纖維試件的拉伸斷面圖如圖6所示，由圖可知，層間無短纖維增強(qiáng)試件的斷面空隙較多、分層現(xiàn)象比較明顯，層間短切纖維增強(qiáng)的試件孔隙較少、分層現(xiàn)象有所減弱，且隨纖維面密度的提高，斷面的致密度呈逐漸增大的趨勢(shì)。層間加入少量短切碳纖維，試件拉伸強(qiáng)度有一定提升，原因是短纖維可增強(qiáng)層間樹脂的韌性，而隨纖維含量進(jìn)一步增加，試件拉伸強(qiáng)度會(huì)急劇削弱，一方面是因?yàn)槎汤w維含量的提升導(dǎo)致試件厚度增加，削弱了拉伸強(qiáng)度，另一方面是因?yàn)閷娱g較多短纖維的無規(guī)則、隨機(jī)取向分布不利于在單一拉伸方向強(qiáng)度的提升。

圖6 層間含不同面密度短纖維試件的拉伸斷面圖

2.2 層間剪切強(qiáng)度

試件層間剪切裂紋形貌如圖7所示，其中圖7a為試件表面裂紋形貌，圖7b為試件端面裂紋形貌。由圖7可知，試件裂紋形貌為層間張開型裂紋和層間滑移錯(cuò)層型裂紋，符合層間剪切強(qiáng)度測(cè)試的斷裂形式。

圖7 試件層間剪切斷裂形貌

試件層間剪切強(qiáng)度隨短纖維鋪放面密度的變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖8可知，無短纖維層間增強(qiáng)試件的層間剪切強(qiáng)度為58.09 MPa。隨著鋪放纖維面密度的增加，試件層間剪切強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，當(dāng)短纖維鋪放面密度為40 g／m2時(shí)，層間剪切強(qiáng)度有較大增強(qiáng)，為66.28 MPa，相對(duì)于無短纖維層間增強(qiáng)試件增加了約12.36%。

地基基礎(chǔ)的抗剪強(qiáng)度與穩(wěn)定性有密切的聯(lián)系，進(jìn)行地基處理時(shí)，可以采用換填土法使地基的沉降量顯著減少，并且加速地基的排水固結(jié)，從而促使地基的承載力大幅度提升，地基抗剪強(qiáng)度也會(huì)因此而提高。

圖8 層間剪切強(qiáng)度隨短纖維鋪放面密度的變化趨勢(shì)

圖9 為層間含不同面密度短纖維試件的層間剪切斷面圖。

圖9 層間含不同面密度短纖維試件的層間剪切斷面圖

由圖9可知，其斷面形貌與拉伸斷面形貌類似，隨著短纖維含量的不斷增加，層間孔隙率減少、致密程度增大，分層現(xiàn)象逐漸減弱，這很好地解釋了層間剪切強(qiáng)度不斷加大的原因。層間剪切強(qiáng)度的提升，一方面是因?yàn)槎糖欣w維對(duì)樹脂本身有一定增強(qiáng)效果，加大了纖維層間樹脂的層間韌性，另一方面，短切纖維的加入增強(qiáng)了連續(xù)纖維層與短切纖維增強(qiáng)層的橋聯(lián)作用，使試件在受層間剪切作用力時(shí)吸收能量的能力增強(qiáng)，纖維層與層之間相對(duì)錯(cuò)動(dòng)滑移現(xiàn)象減少。因此短切纖維的加入使試件層間剪切強(qiáng)度增加明顯。

2.3 彎曲強(qiáng)度

試件彎曲強(qiáng)度隨短纖維鋪放面密度的變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10 不同短纖維鋪放面密度時(shí)材料彎曲強(qiáng)度

由圖10可知，無短纖維層間增強(qiáng)試件的層間彎曲強(qiáng)度為651.52 MPa，隨著鋪放纖維面密度的增加，試件彎曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)短纖維鋪放面密度為5 g／m2時(shí)，試件彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，為720.41 MPa，相對(duì)于無短纖維層間增強(qiáng)試件提高約10.57%。當(dāng)短纖維鋪放面密度大于等于30 g／m2時(shí)，層間短纖維的加入已不能對(duì)試件彎曲強(qiáng)度起到增強(qiáng)效果。隨著鋪放纖維面密度的增加，試件彎曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，原因是短切纖維的含量提高，試件層間韌性進(jìn)一步提高，但過多含量的纖維削減了復(fù)合材料在平面上的整體取向，使試件在彎曲受力點(diǎn)抗拉性能降低，此現(xiàn)象可用拉伸強(qiáng)度降低的理論解釋。

2.4 短纖維層間增強(qiáng)機(jī)理

短纖維層間增強(qiáng)機(jī)理示意由圖11所示，無規(guī)則的短纖維散布在預(yù)制體層與層之間，形成鉚釘結(jié)構(gòu)。連續(xù)纖維層與短切纖維層界面在不同倍率下的放大圖如圖12所示。由圖12b可知，連續(xù)纖維層與短切纖維層之間形成致密橋聯(lián)界面，在受層間剪切力的作用時(shí)，一方面，短纖維的加入增大了樹脂的斷裂韌性，從而增大了復(fù)合材料的整體韌性，另一方面，橋聯(lián)力在一定程度上起到了延緩分層擴(kuò)展的作用，增加了纖維層間滑移、張開斷裂時(shí)的能量釋放率，提高了能量釋放率的閾值[5]，從而影響了分層擴(kuò)展過程，增大了復(fù)合材料層板的層間剪切強(qiáng)度。

圖11 短纖維層間增強(qiáng)機(jī)理示意圖

圖12 連續(xù)纖維層與短切纖維層橋聯(lián)界面不同倍率下的放大圖

3 結(jié)論

以斜紋3k T300碳纖維布、環(huán)氧樹脂和長度0.3～0.5 mm (50目)短切碳纖維為主要實(shí)驗(yàn)原料，采用真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝方式，得到層間含不同面密度短切纖維的碳纖維復(fù)合材料層合板，研究了不同面密度短切纖維含量對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板拉伸、彎曲以及層間剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)論如下：

(1)當(dāng)短纖維鋪放面密度為5 g／m2時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度有小幅度提升，為477.64 MPa，相對(duì)于無短纖維層間增強(qiáng)試件提高了約5.72%。當(dāng)短纖維鋪放面密度大于等于10 g／m2時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，短纖維的加入對(duì)拉伸強(qiáng)度已無提升作用。

(2)在5～40 g／m2范圍內(nèi)，復(fù)合材料層板的層間剪切強(qiáng)度隨短切碳纖維鋪放面密度的增大而增大。當(dāng)短纖維鋪放面密度為40 g／m2時(shí)，層間剪切強(qiáng)度有較大增強(qiáng)，為66.28 MPa，相對(duì)于無短纖維層間增強(qiáng)試件增加了約12.36%。

(3)隨著鋪放纖維面密度的增加，試件層間剪切強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)短纖維鋪放面密度為5 g／m2時(shí)，試件彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，為720.41 MPa，相對(duì)于無短纖維層間增強(qiáng)試件提高了約10.57%。

(4)通過SEM斷面分析和理論分析，解釋了層間短切纖維增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料拉伸、彎曲和層間剪切強(qiáng)度隨層間短切碳纖維含量不同的變化趨勢(shì)。