碳纖維織物在室內(nèi)空間中的設(shè)計(jì)與性能研究

董 靜

（上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200241）

壯錦織物是用染好顏色的彩色經(jīng)緯線，經(jīng)提花、織造工藝織出圖案的織物，以其五彩繽紛的色彩、別致的圖案和結(jié)實(shí)耐用等而馳名中外，其色彩對(duì)比強(qiáng)烈，紋樣多為菱形幾何圖案，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)而富于變化，具有濃艷粗獷的藝術(shù)風(fēng)格，可用于制做衣裙、巾被、背包、臺(tái)布等。傳統(tǒng)的壯錦織物多采用棉紗作經(jīng)、絲線作緯，雖然具有結(jié)實(shí)耐用等特性，但是仍然存在織物較厚、比重大和質(zhì)感較差等問(wèn)題，且織物材質(zhì)是影響壯錦圖案的關(guān)鍵因素之一。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展和材料技術(shù)的提高，具有高強(qiáng)度、低比重又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性等特性的碳纖維復(fù)合材料在室內(nèi)空間中的應(yīng)用逐步推廣，并具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。目前，碳纖維編織復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但是二維編織對(duì)稱碳纖維復(fù)合材料存在編織纖維屈曲較大造成的面內(nèi)力學(xué)性能降低的問(wèn)題[2]，因此，本文制備了單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料并與二維編織對(duì)稱碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了對(duì)比，考察了編織角度和纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能和破壞模式的影響，結(jié)果有助于碳纖維復(fù)合材料在室內(nèi)空間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

以臺(tái)麗公司的T300碳纖維（拉伸強(qiáng)度4000MPa、密度1.80g/cm3）、JC-02 型環(huán)氧樹(shù)脂（拉伸強(qiáng)度66MPa、密度1.13g/cm3）、JC-02B型改性酸酐（粘度45MPa.s）為原料，采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑法制備了碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（編織物浸潤(rùn)后置于烘箱中進(jìn)行88℃/2h+108℃/2h+128℃/2h的固化處理并空冷至室溫），包括單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料，前者的鋪層數(shù)為16，后者的鋪層數(shù)為8。

根據(jù)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，在美國(guó)MTS-810型液壓伺服萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)中對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試，試樣尺寸與宏觀形貌如圖1所示。在加工試樣時(shí)需要注意保持各組試樣紋路相同，并在頭端和尾端加貼長(zhǎng)50mm、厚0.5mm的硬鋁加強(qiáng)片，拉伸速率為3mm/min，測(cè)試溫度為室溫。

圖1 拉伸試樣的尺寸與宏觀形貌Fig. 1 Size and macromorphology of tensile specimens

3 結(jié)果及討論

對(duì)單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1，其中，單1、單2和單3試樣分別對(duì)應(yīng)于復(fù)合材料左側(cè)、中間和右側(cè)的試樣?？梢?jiàn)，在相同的寬度和厚度條件下，編織角度的不同會(huì)造成纖維體積分?jǐn)?shù)的差異以及拉伸強(qiáng)度上的不同；單1試樣相對(duì)單3試樣的編織角降低了1°，反映在拉伸強(qiáng)度上則表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度提高1.65MPa，由于二者的纖維體積分?jǐn)?shù)和編織角相差較小，造成強(qiáng)度差異的原因可能與固化工藝有關(guān)[3]。單2試樣的最內(nèi)層和最外層角度的差值高于單1和單3試樣，造成纖維體積分?jǐn)?shù)明顯減小，拉伸強(qiáng)度明顯降低，這主要是因?yàn)閱蜗蚓幙棇?duì)稱鋪層復(fù)合材料中纖維體積分?jǐn)?shù)是影響材料拉伸強(qiáng)度的最主要因素[4]。

表1 單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸性能Table 1 Tensile properties of unidirectional braided symmetrical laminated composites

對(duì)二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，其中，二維1、二維2和二維3試樣分別對(duì)應(yīng)于復(fù)合材料左側(cè)、中間和右側(cè)的試樣?？梢?jiàn)，由于編織角的不同，三種復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度存在明顯差異，二維1相較于二維3的最內(nèi)角度降低了2°，在纖維體積分?jǐn)?shù)略高的前提下，拉伸強(qiáng)度提高了22.52MPa，由此可見(jiàn)，二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料中編織角和纖維含量都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能產(chǎn)生顯著影響，其中，編織角的減小會(huì)使得纖維束偏向軸向排列而增強(qiáng)拉伸強(qiáng)度，而纖維含量最高也會(huì)有助于提高拉伸強(qiáng)度。二維2試樣的最內(nèi)層編織角相較于二維1和二維3分別增加5°和3°，最內(nèi)層編織角都相比增加了3°，纖維體積分?jǐn)?shù)分別減小3.02%和2.87%，拉伸強(qiáng)度分別減小30.22MPa和7.7MPa，這主要是因?yàn)槎S2在編織角和纖維含量的共同作用下造成二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料拉伸性能的減小[5]。

表2 二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸性能Table 2 Tensile properties of 2-D braided symmetrical laminated composites

對(duì)單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。單1、單2和單3試樣的拉伸模量分別為6.23GPa、5.49GPa和6.06GPa，可見(jiàn)單1試樣的拉伸模量最高，其次為單3試樣，而單2試樣的拉伸模量最小。單1試樣和單2試樣的拉伸模量相差最大，差值為0.74GPa，表明單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的左側(cè)、中間和右側(cè)試樣的拉伸模量離散性較小，但是纖維體積分?jǐn)?shù)和編織角都會(huì)對(duì)拉伸模量造成影響[6]，且纖維體積分?jǐn)?shù)的影響占主要地位，其次為編織角造成的影響。

圖2 單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸模量Fig. 2 Tensile modulus of unidirectional braided symmetrical laminated composites

對(duì)二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示。二維1、二維2和二維3試樣的拉伸模量分別為5.31GPa、3.99GPa和5.06GPa，可見(jiàn)二維2試樣的拉伸模量明顯小于二維1和二維3試樣，這主要是因?yàn)槎S2試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)明顯小于其它2組試樣，且編織角相較于二維1和二維3試樣更大，而較大的編織角會(huì)造成纖維偏離軸向排列更加明顯，從而減小了二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料在軸向的承載力[7]。

圖3 二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸模量Fig. 3 Tensile modulus of 2-D braided symmetrical laminated composites

對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)相近的單2和二維2試樣的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量進(jìn)行對(duì)比分析，可見(jiàn)，單向2試樣的拉伸強(qiáng)度要高于二維2試樣，且單向2試樣的拉伸模量要高于二維2試樣1.5GPa。這主要是因?yàn)閱?試樣的編織角相較于二維2試樣減小了2°，且纖維體積分?jǐn)?shù)增加了約0.7%，從而造成復(fù)合材料在拉伸強(qiáng)度升高的同時(shí)提高了拉伸模量。

對(duì)單2和二維2試樣的拉伸破壞處的宏觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示，其中左側(cè)為單2試樣，右側(cè)為二維2試樣。宏觀形貌中可見(jiàn)，單2試樣的裂紋沿著纖維束排列方向延伸，最外側(cè)纖維層向外側(cè)翹起，而二維2試樣在破壞處發(fā)生了一定程度縮頸，纖維層由于相互交織作用并沒(méi)有發(fā)生翹起，但是出現(xiàn)了纖維束整體拔出、樹(shù)脂脫落的現(xiàn)象。

圖4 單2和二維2試樣的拉伸破壞處的宏觀形貌Fig. 4 Macroscopic morphology of tensile failure of single-2 and two-dimensional specimens

對(duì)單2試樣的外側(cè)、1/4寬度處和1/2寬度處的表面形貌進(jìn)行觀察，其中從上至下依次為第1層至第16層?？梢?jiàn)，復(fù)合材料中同時(shí)存在層內(nèi)裂紋和層間裂紋，其中，層內(nèi)裂紋沿著厚度方向延伸，且在相鄰纖維層中不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，裂紋主要存在于同一纖維束內(nèi)部或者纖維間的樹(shù)脂基體中；層間裂紋則在纖維層間延伸，且裂紋的擴(kuò)展方向幾乎與纖維平行排列。

對(duì)二維2試樣的外側(cè)、1/4寬度處和1/2寬度處的表面形貌進(jìn)行觀察，其中從上至下依次為第1層至第16層。相較于單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料，二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料中的裂紋或者裂縫變得雜亂無(wú)章，裂紋延伸方向垂直于受力方向并在纖維層間擴(kuò)展；層間裂紋則由于二維編織中纖維傾斜排列的特性而呈現(xiàn)切斜走向[8-9]。無(wú)論是單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料還是二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料，破壞最嚴(yán)重的區(qū)域都出現(xiàn)外側(cè)，而1/2寬度處的破壞相對(duì)較輕，這主要是由于外側(cè)纖維層在受外加載荷作用下會(huì)首先產(chǎn)生破壞并產(chǎn)生裂紋[10-11]，而隨著外加載荷的持續(xù)加載，裂紋逐漸擴(kuò)展至內(nèi)部，并當(dāng)載荷超過(guò)復(fù)合材料承載能力時(shí)發(fā)生斷裂，但是最先產(chǎn)生裂紋的區(qū)域基本都處于復(fù)合材料編織物中編織角最小且存在纖維頭端的第一層。

3 結(jié)論

（1）單1試樣相對(duì)單3試樣的編織角降低了1°，反映在拉伸強(qiáng)度上則表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度提高1.65MPa；單2試樣的最內(nèi)層和最外層角度的差值高于單1和單3試樣，造成纖維體積分?jǐn)?shù)明顯減小，拉伸強(qiáng)度明顯降低。

（2）二維2試樣的最內(nèi)層編織角相較于二維1和二維3分別增加5°和3°，最內(nèi)層編織角都相比增加了3°，纖維體積分?jǐn)?shù)分別減小3.02%和2.87%，拉伸強(qiáng)度分別減小 30.22MPa和7.7MPa。

（3）單1、單2和單3試樣的拉伸模量分別為6.23GPa、5.49GPa和6.06GPa，二維1、二維2和二維3試樣的拉伸模量分別為5.31GPa、3.99GPa和5.06GPa，編織角和纖維含量都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量造成顯著影響。

（4）相較于單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料，二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料中的裂紋或者裂縫變得雜亂無(wú)章，裂紋延伸方向垂直于受力方向并在纖維層間擴(kuò)展，層間裂紋則由于二維編織中纖維傾斜排列的特性而呈現(xiàn)切斜走向。無(wú)論是單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料還是二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料，破壞最嚴(yán)重的區(qū)域都出現(xiàn)于外側(cè)，而1/2寬度處的破壞相對(duì)較輕。