碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的制備與力學性能

沙 迪,禹旭敏,趙 將,馬小飛,王漢夫,劉芳芳,邱雪鵬

(1.中國科學院長春應用化學研究所高分子復合材料工程實驗室,長春 130022; 2.中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100; 3.中國科學院長春應用化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室,長春 130022)

纖維增強復合材料由纖維增強體和樹脂基體組成,具有比重小、力學性能優(yōu)異及可設(shè)計性強等優(yōu)點,廣泛應用于航空航天領(lǐng)域[1～3].復合材料中纖維增強體作為主要的負荷承載體,其力學性能在很大程度上決定了復合材料的力學性能.纖維增強體一般以單向或雙向編織的織物與樹脂基體復合.在這些織物中纖維束或紗線以0°或90°夾角相互穿插,構(gòu)成密布的二維平面,織物的面密度相對較高且纖維束的搭接點較多,不利于樹脂基體的充分滲透.三向織物是由平面內(nèi)三組紗線以特定的角度(60°)相互交織而形成的一種平面織物[4].由于編織結(jié)構(gòu)的對稱性更高,織物的各向同性好,在受力時能夠更有效地分散載荷,使三向織物的力學性能比普通織物更加優(yōu)異[5,6].三向織物中紗線以特定的角度相互交織,允許織物中孔洞的存在,可有效減輕織物的面密度,這些特點使以三向織物為增強體的復合材料更加輕便,綜合性能更加均一,在體育用品、建筑補強及航空航天等領(lǐng)域[7～9]得到廣泛的應用.

20世紀80年代,美國華盛頓海軍航空研究中心將聚氨酯涂覆在Dacron纖維與Kevlar纖維混編的三向織物上,并將該復合材料用于氣球類飛行器[10].1995年,加拿大太空總署用碳纖維三向織物制成超薄可折疊復合材料,并將該復合材料用于衛(wèi)星的可收縮天線反射器[11].日本也采用類似的三向織物復合材料制成天線裝置,并將其應用于探測火星周圍大氣狀況的Nozomi(B行星)人造衛(wèi)星上[12].1987年,楊青等[13]研制的SX-1型及SX-2型三向織機,填補了我國特種織機方面的空白.目前,我國在三向織物及其復合材料領(lǐng)域的研究工作進展非常緩慢.因此,掌握關(guān)鍵制備技術(shù),研究三向織物及其復合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,對促進我國在三向織物及其復合材料領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義.

本文以具有不同紗線間距[也稱為二經(jīng)(緯)紗之間的中心距]尺寸的碳纖維三向織物為增強材料,與環(huán)氧樹脂復合制備相應的復合材料,研究三向織物的紗線間距尺寸和樣品裁剪角度對復合材料拉伸性能、撕裂性能及頂破性能等的影響,并與碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料進行對比.本文工作對制備性能優(yōu)異的三向織物增強的復合材料具有參考價值.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

碳纖維T300-1k和T300-3k,日本東麗有限公司,T300-1k拉伸強度3.94 GPa,拉伸模量234 GPa,斷裂伸長率1.7%,密度1.76 kg/m3; T300-3k拉伸強度3.86 GPa,拉伸模量233 GPa,斷裂伸長率1.7%,密度1.76 kg/m3; 環(huán)氧樹脂(4129A/B,在使用前將4129A與4129B以質(zhì)量比100∶,70混合),惠柏新材料科技(上海)股份有限公司.

熱壓機,湖州順力橡膠機械有限公司; Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀,德國Bruker公司; Thermo ESCALAB 250型X射線光電子能譜(XPS)儀,美國Thermo Fisher Scientific公司; INSTRON-5869型材料試驗機,美國Canton公司.

1.2 實驗過程

Fig.1 Illustration of the triaxial woven fabric construction

1.2.1 碳纖維三向織物和二向織物的制備 紗線間距為2 mm的碳纖維二向織物和紗線間距分別為2和4 mm的碳纖維三向織物均采用碳纖維T300-1k編織; 紗線間距為6 mm的碳纖維三向織物采用碳纖維T300-3k編織.二向織物中碳纖維經(jīng)紗與緯紗以90°夾角相互穿插,構(gòu)成密布的二維平面.三向織物中3組碳纖維紗線以特定的角度(60°)相互交織,編織成平面三向織物(圖1).碳纖維二向織物的面密度為49.4 g/m2,紗線間距為2,4和6 mm的碳纖維三向織物的面密度分別為92.5,60.5和85.8 g/m2.

Fig.2 Photos of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composites with different two yarns spacingTwo yarns spacing/mm: (A) 2; (B) 4; (C) 6.

1.2.2 碳纖維三向織物(二向織物)/環(huán)氧樹脂復合材料的制備 采用手工涂敷預浸料制備碳纖維三向織物(二向織物)/環(huán)氧樹脂復合材料,通過熱壓成型技術(shù)得到最終樣品(圖2).熱壓成型工藝參數(shù): 預成型階段,溫度為90 ℃,壓強為0.1 MPa,時間為120 min; 后固化階段,溫度為140 ℃,壓強為0.5 MPa,時間為120 min; 后處理階段,溫度為140 ℃,壓強為0 ,時間為240 min.

1.2.3 力學性能測試 以碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的緯紗為基準,分別在0°(緯紗),30°,45°,60°和90°(垂直于緯紗)5個方向裁剪試樣(圖3),依據(jù)標準GB/T 1040.2-2006[14]測試拉伸性能,考慮到不同二經(jīng)(緯)紗之間的中心距尺寸的織物疏密程度及結(jié)構(gòu)的完整性,試樣的尺寸設(shè)定為: 60 mm×10 mm(0°和60°試樣),60 mm×20 mm(30°,45°和90°試樣).在碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的0°(緯紗)和90°(垂直于緯紗)2個方向剪取試樣,依據(jù)標準GB/T 3923.1-2013[15]測試撕裂性能,試樣的尺寸為50 mm×300 mm.取碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料平整部分,測試區(qū)域應避免折疊、折皺,依據(jù)標準GB/T 19976-2005[16]測試頂破性能,試樣為r=50 mm的圓形.

Fig.3 Illustration of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composites with different cutting anglesCutting angle/(°): (A) 0; (B) 30; (C) 45; (D) 60; (E) 90.

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的結(jié)構(gòu)表征

Fig.4 FTIR spectrum of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composite with two yarns spacing of 2 mm

Fig.5 Survey(A) and C1s(B) XPS spectra of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composite with two yarns spacing of 2 mm

2.2 碳纖維三向織物的緊度計算

Fig.6 Illustration of structural unit of carbon fiber triaxial woven fabric

圖6示出了碳纖維三向織物最基本的結(jié)構(gòu)單元.由三向織物的制備過程可知,碳纖維經(jīng)紗和緯紗的支數(shù)及密度是完全相同的,lx為二緯紗之間的中心距,ly和lz為二經(jīng)紗之間的中心距,dx,dy和dz分別是緯紗及經(jīng)紗的直徑,由三向織物的編織結(jié)構(gòu)可知,lx=ly=lz,dx=dy=dz且θ=60°.

織物緊度包括織物緯向緊度(Ex,%)、經(jīng)向緊度(Ey,%和Ez,%)和織物總緊度(E,%),以織物的緯紗或經(jīng)紗蓋復面積或經(jīng)緯紗總蓋復面積對織物全部面積的比值表示[17]:

(1)

(2)

(3)

=(Ex+Ey+Ez-ExEy-ExEz-EyEz)×100%

(4)

2.3 紗線間距尺寸和裁剪角度對碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響

圖7給出3種紗線間距尺寸的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸性能.紗線間距尺寸分別為2,4和6 mm時,0°方向?qū)臄嗔褟姸葹?21.7,172.4和148.1 MPa,斷裂伸長率在0.95%～0.97%之間; 90°方向?qū)臄嗔褟姸葹?0.0,38.7和22.1 MPa,斷裂伸長率在1.31%～1.38%之間.可以看到,不管是0°還是90°方向,隨著紗線間距尺寸增大,復合材料的斷裂強度逐漸減小,這是因為紗線間距尺寸越大,單位面積所含的碳纖維增強體越少,受力時載荷分散越不均勻,所能承受的外力就越小,導致其斷裂強度越小.紗線間距為4和6 mm的織物緊度分別為56.3%和66.7%,面密度分別為60.5和85.8 g/m2,似乎紗線間距為4 mm的織物形成的復合材料的斷裂強度應低于紗線間距為6 mm的織物形成的復合材料,但由于4 mm紗線間距的織物具有更小的孔洞,有利于載荷的均勻分散,因此,由其制備的三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的斷裂強度比紗線間距為6 mm的三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的更高.由圖7還可以看出,同種紗線間距尺寸的三向織物復合材料,其90°方向的斷裂強度遠低于0°方向的斷裂強度.這主要是由三向織物的編織工藝和制樣標準決定的,三向織物由3組不同方向的紗線系統(tǒng)組成,與0°方向不同的是,90°方向中3組紗線所在的方向均和外加載荷存在一定的夾角,且垂直于外加載荷的橫向緯紗上沒有直接的外力作用,而0°方向則有一組紗線與外加載荷平行,對試樣的形變和斷裂破壞具有一定的約束作用,導致90°方向的斷裂強度低于0°方向的斷裂強度,而90°方向的斷裂伸長率高于0°方向的斷裂伸長率.

Fig.7 Fracture strength of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composites with different two yarns spacings along cutting angles of 0° and 90°

Fig.8 Fracture strength of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composites with different cutting angles

圖8示出了紗線間距為2 mm的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在不同裁剪角度的拉伸性能.在0°,30°,45°,60°和90°方向的斷裂強度分別為221.7,48.5,44.3,227.8和50.0 MPa; 斷裂伸長率分別為0.97%,1.36%,1.28%,0.92%和1.33%.可見,碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在0°和60°方向的斷裂強度相近,均在220 MPa以上,遠高于30°,45°和90°方向,這與三向織物的編織工藝直接相關(guān).三向織物是由3組不同方向的紗線以特定的角度(60°)相互交織而形成的一種平面織物,這種特殊的編織工藝使0°與60°方向完全一致,所以其斷裂強度相似,且試樣有一組紗線與外加載荷平行,對形變破壞具有一定的約束作用,但與 0°及60°方向不同的是,30°,45°和90°方向中3組紗線所在的方向均和外加載荷存在一定的夾角,使有效分散外加載荷的能力減弱,所以0°和60°方向的斷裂強度遠大于30°,45°和90°方向.

Fig.9 Tearing strength of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composites with different two yarns spacings cutting along 0° and 90°

Fig.10 Bursting strength of carbon fiber triaxial woven fabric/epoxy resin composites with different two yarns spacings

圖9示出了3種紗線間距尺寸的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在0°和90°裁剪角度的撕裂性能.紗線間距分別為2,4和6 mm時,復合材料在0°方向的撕裂強力分別為1000,690和600 N,在90°方向的撕裂強力分別為330,130和100 N.可以看出,隨著紗線間距尺寸的增大,不管是在0°還是90°方向,撕裂強力都逐漸減小.紗線間距為4 mm的復合材料的撕裂強力比紗線間距為6 mm的略高,與斷裂強度規(guī)律類似,是碳纖維增強體含量與孔洞大小共同作用的結(jié)果,孔洞尺寸的影響更顯著.由圖9還可以看到,紗線間距固定的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料,其0°方向的撕裂強力高于90°方向的撕裂強力.這主要是由0°方向樣品有一組紗線與外加載荷垂直,使試樣撕裂形變時需要較大的負荷,而90°方向樣品3組紗線所在的方向均與外加載荷存在一定的夾角或是平行關(guān)系,較小的負荷就可以使試樣撕裂形變,導致90°方向的撕裂強力低于0°方向的撕裂強力.

圖10示出了3種紗線間距尺寸的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的頂破性能.紗線間距分別為2,4和6 mm時,復合材料的頂破強力分別為424,258和216 N,即隨著紗線間距尺寸的增加,復合材料的孔洞尺寸增大,頂破強力逐漸減小.

2.4 碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料與碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能比較

圖11比較了紗線間距為2 mm的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料與碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸性能.碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在0°,30°,45°,60°和90°方向的斷裂強度分別為221.7,48.5,44.3,227.8和50.0 MPa,斷裂伸長率分別為0.97%,1.36%,1.28%,0.92%和1.33%.碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在0°,30°,45°,60°和90°方向的斷裂強度分別為235.0,8.77,9.63,8.94和229.1 MPa,斷裂伸長率分別為0.99%,3.34%,3.53%,3.36%和1.01%.可以看出,碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在0°和60°方向的斷裂強度與碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂二向織物復合材料在0°與90°方向的斷裂強度相近,這主要是因為樣品中平行于外加荷載方向的紗線數(shù)量相同,故其斷裂強度相近.碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料在30°,45°和90°方向的斷裂強度遠高于碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂二向織物復合材料在30°,45°和60°方向的斷裂強度,這主要是由織物的編織工藝決定的.雖然樣品的尺寸相同,但在單位面積上,碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂/環(huán)氧樹脂復合材料的相互交織點更多,分散傳遞外加載荷的能力明顯優(yōu)于二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料,所以其斷裂強度較高.

Fig.11 Fracture strength(A)and illustration of carbon fiber triaxial(B) and biaxial(C) woven fabric/epoxy resin composites along different cutting anglesCutting angle/(°): (B1,C1) 0; (B2,C2) 30; (B3,C3) 45; (B4,C4) 60; (B5,C5) 90.

碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂二向織物復合材料在0°與90°方向的斷裂強度遠大于30°,45°和60°方向的斷裂強度,這主要是因為0°與90°方向均有平行于荷載方向的紗線,可有效分散傳遞外加載荷,而30°,45°和60°方向三組紗線與外加荷載均存在一定夾角,且試樣中沒有完整的紗線,因此其斷裂強度遠小于0°與90°方向.

圖12(A)比較了紗線間距為2 mm的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料與碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的撕裂性能.二者在0°方向的撕裂強力均為1000 N,二向織物中有垂直于撕裂方向的紗線,三向織物中有多束與撕裂方向成一定角度的紗線,能有效分散傳遞外加載荷,導致其撕裂強力相近.二者在90°方向的撕裂強力分別為330和960 N,即碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂二向織物復合材料的撕裂強力遠高于碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料.按照編織原理,碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂二向織物復合材料在0°方向和90°方向的撕裂強力是相同的,而三向織物沒有垂直于撕裂方向的紗線,與0°方向相比,抵抗撕裂的紗線束少,因此,其撕裂強力較低.

Fig.12 Tearing strength(A) and bursting strength(B) of carbon fiber triaxial and biaxial woven fabric/epoxy resin composites

圖12(B)比較了紗線間距為2 mm的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料與碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的頂破性能.可以看出,碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的頂破強力(424 N)遠高于碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂二向織物復合材料(194 N).從兩者的面密度看,碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料為92.5 g/m2,碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料為49.4 g/m2,雖然樣品的孔洞尺寸相差不大,但在單位面積上,三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的相互交織點更多,纖維蓋復面積高,分散傳遞外加載荷的能力強,所以其頂破強力明顯優(yōu)于二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料.

3 結(jié) 論

分別選擇紗線間距尺寸為2,4和6 mm的碳纖維三向織物,采用熱壓成型技術(shù)制備碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料,研究紗線間距尺寸、樣品裁剪角度等對復合材料拉伸性能、撕裂性能及頂破性能的影響,結(jié)果表明,隨著紗線間距尺寸的增加(2,4和6 mm),碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的斷裂強度、撕裂強力和頂破強力都逐漸降低.不同裁剪角度對碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸性能有一定影響,復合材料0°和60°方向的斷裂強度很相近,都遠高于30°,45°和90°方向的數(shù)值.紗線間距固定的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料,其0°方向的撕裂強力高于90°方向的撕裂強力.碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復合材料的綜合力學性能明顯優(yōu)于碳纖維二向織物/環(huán)氧樹脂復合材料,其最高斷裂強度為221.7 MPa,撕裂強力為1000 N,頂破強力達到 424 N.