碳纖軸紗對(duì)編織復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究

張雄，王靜 ,吳曉青，宋建國(guó)

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.河北省復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 衡水 050000）

復(fù)合材料是可以合成金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料[1]的多相材料，通過(guò)物理或化學(xué)方法,獲得共存兩種或兩種以上性能的材料，以達(dá)到提高材料某些性能或彌補(bǔ)材料缺點(diǎn)和獲得具有新特性的特殊材料的目的。在諸多復(fù)合材料中，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基體復(fù)合材料應(yīng)用較廣泛，樹(shù)脂基具有高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，成為重要的應(yīng)用材料與航空結(jié)構(gòu)材料之一[2]。二維編織復(fù)合材料因其纖維相互纏繞，具有高拉伸模量、抗分層[3]等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以?xún)舫叽绯尚?，故?duì)二維編織力學(xué)性能影響因素研究時(shí)有必要的。P.Potluri[4]等人研究三軸對(duì)于雙軸復(fù)合材料彎曲剛度影響，表明三軸剛度大于雙軸剛度。F.heieck[5]等人研究了雙軸與三軸編織復(fù)合材料拉伸和壓縮性能影響，結(jié)果表明三軸編織復(fù)合材料對(duì)力學(xué)性能表現(xiàn)出更高的敏感度。

1 樣品制備

1.1 二維編織預(yù)制件制備

實(shí)驗(yàn)采用巨石集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的E6D17-1200-380 直接無(wú)捻粗紗玻璃纖維作為編織紗，軸紗采用中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司生產(chǎn)的A 級(jí)12K 的SYT49S 型碳纖維，纖維參數(shù)（如表1 所示）。設(shè)備采用江蘇徐州七星機(jī)械有限公司生產(chǎn)的高速臥式64 錠二維編織機(jī)，其中織物規(guī)格為2×2，預(yù)制件參數(shù)（如表2 所示）。

表1 纖維參數(shù)Tab.1 Fibre parameters

表2 預(yù)制件各項(xiàng)參數(shù)Tab.2 Prefabricatedparameters

在編織過(guò)程中，由于編織紗是無(wú)捻紗，會(huì)造成紗線(xiàn)在退繞過(guò)程中未能完全退繞而導(dǎo)致紗線(xiàn)張力過(guò)大影響預(yù)制件均勻性，故在打線(xiàn)時(shí)，降低紗線(xiàn)纏繞張力，一方面可以減少玻璃纖維在準(zhǔn)備階段的纖維損傷，另一方面可以降低纖維在編織時(shí)紗線(xiàn)退繞張力。在編織過(guò)程中需時(shí)刻關(guān)注紗線(xiàn)張力，確保各個(gè)編織紗張力的均勻性。

1.2 二維編織復(fù)合材料制備

圖1 雙軸與三軸不同角度下位移載荷曲線(xiàn)（a 表示玻纖雙軸，b 表示玻纖碳纖三軸）Fig.1 Biaxialand triaxialdisplacement load curves at different angles(a means glass fiber biaxial,b means glass fiber carbon fiber triaxial)

復(fù)合材料采用玻璃纖維與碳纖維二維編織預(yù)制件作為增強(qiáng)體，樹(shù)脂采用東方電氣公司生產(chǎn)的DQ200E 型環(huán)氧樹(shù)脂，固化劑采用同公司所生產(chǎn)DQ204H 型樹(shù)脂。因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)是測(cè)量板狀復(fù)合材料，故將預(yù)制件從芯模退下后壓平，通過(guò)VARTM 工藝制得復(fù)合材料。表2 中1-1 至1-6預(yù)制件為玻纖雙軸，復(fù)合層數(shù)為4 層，2-1 至2-6 預(yù)制件為玻纖編織紗、碳纖軸紗，復(fù)合層數(shù)為2 層。

2 力學(xué)性能測(cè)試

拉伸實(shí)驗(yàn)是復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)應(yīng)用最廣、研究最多的一種方法。利用拉伸實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、伸長(zhǎng)率和其他性能指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)參照GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法》，按照標(biāo)準(zhǔn)確定試樣個(gè)數(shù)及尺寸要求，在Instron3969 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)加載速度為5mm/min。

在拉伸過(guò)程中，玻纖復(fù)合材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性，整個(gè)試樣拉伸形變較大。拉伸破壞時(shí)表現(xiàn)為纖維被抽出、樹(shù)脂基體開(kāi)裂、樹(shù)脂基體與纖維束界面層分離、纖維束斷裂。玻纖碳纖復(fù)合材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性，整個(gè)試樣形變較小，拉伸破壞時(shí)表現(xiàn)為小范圍基體破裂，部分纖維束斷裂。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

（1）在相近角度下，玻纖碳纖復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度比玻纖復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量均要大。從表3 可以看出，1-1 與2-1 角度基本接近，但有碳纖維軸紗存在的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度及拉伸模量均要高于玻纖復(fù)合材料。在二維編織復(fù)合材料中，二維編織預(yù)制件作為增強(qiáng)體增強(qiáng)了樹(shù)脂基體的強(qiáng)力，相對(duì)于雙軸玻纖復(fù)合材料而言，三軸玻纖碳纖復(fù)合材料在軸向加入碳纖維軸紗，起到更好的加強(qiáng)作用,同時(shí)拉伸模量也增大。

表3 拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Tensile test data

圖2 拉伸測(cè)試后試樣圖(a 表示雙軸編織復(fù)合材料，b 表示三軸編織復(fù)合材料)Fig.2 Test sample drawing after tensile test(a means biaxialbraided composite，b means triaxialbraided composite)

（2）在相近角度下，玻纖碳纖復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率比玻纖復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)小。從表3 中可以計(jì)算得出，玻纖復(fù)合材料平均斷裂伸長(zhǎng)率在12.8%，玻纖碳纖復(fù)合材料平均斷裂伸長(zhǎng)率在6.7%。由數(shù)據(jù)可以看出，碳纖軸紗的存在，使得二維編織復(fù)合材料拉伸斷裂伸長(zhǎng)率降低，編織復(fù)合材料整體性能更好，這是由于碳纖維軸紗平行存在于軸向，與材料受拉伸的力方向一致。碳纖維軸紗的存在使得材料整體受力性能更好，在材料受到軸向外力作用時(shí)，由于碳纖維自身強(qiáng)度較大以及與軸向平行的原因，碳纖維軸紗首先受到力的作用，又由于其整體性能好，故拉伸斷裂伸長(zhǎng)率較小。在玻纖碳纖編織復(fù)合材料拉伸斷裂過(guò)程中，不僅需要克服編織紗在軸向上的反作用力，同時(shí)需要克服全部軸紗的斷裂力和軸紗與編織紗經(jīng)過(guò)樹(shù)脂固化后的相互作用力，故最終表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度的增大與斷裂伸長(zhǎng)的減小。

（3）碳纖維軸紗使編織復(fù)合材料更具有彈性性能。從圖1 中對(duì)比可以看出，玻纖碳纖編織復(fù)合材料位移載荷曲線(xiàn)更具線(xiàn)性，且破壞時(shí)載荷呈現(xiàn)斷崖式下降。拉伸破壞時(shí)，由圖2 可知，玻纖編織復(fù)合材料表現(xiàn)為纖維抽出，整個(gè)試樣基體均有形變，玻纖碳纖編織復(fù)合材料表現(xiàn)為局部基體破裂，部分纖維束斷裂。這是因?yàn)樘祭w維軸紗在軸向上將整個(gè)試樣貫穿，材料更具有整體性，在受到拉力作用時(shí)，體現(xiàn)為整個(gè)試樣共同受力，在達(dá)到受力極限時(shí)首先造成基體開(kāi)裂，伴隨著纖維束的斷裂。

（4）隨著編織角的增大，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。表3 可以看出，1-1 至1-6，編織角從30°增加至60°，拉伸強(qiáng)度從315.8 MPa 下降至71.8 MPa。同理，玻纖碳纖編織復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度從431.4 MPa 下降至291.7 MPa。

4 結(jié)論

（1）在編織過(guò)程中需考慮玻纖無(wú)捻造成退繞張力不勻的問(wèn)題，可在打線(xiàn)過(guò)程中將打線(xiàn)張力減小從而降低玻纖退繞張力。芯模采用PVC 管，在編織過(guò)程中芯模的抖動(dòng)會(huì)影響編織進(jìn)程，可對(duì)芯模尾部施加一定穩(wěn)定力。

（2）采用相同纖維編織不同角度預(yù)制件時(shí)，考慮到覆蓋系數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能有一定程度影響，故編織不同角度預(yù)制件時(shí)可采用不同直徑芯模保證覆蓋系數(shù)在90%以上。

（3）碳纖維軸紗增大材料拉伸強(qiáng)度及拉伸模量，在編織角為60°左右時(shí)拉伸強(qiáng)度增加最大為219.9 MPa，同時(shí)降低材料斷裂伸長(zhǎng)率，使編織復(fù)合材料更具彈性，這是由于碳纖維軸紗在軸向貫穿整個(gè)材料，使材料更具有整體性。編織角對(duì)于編織復(fù)合材料拉伸性能影響較大，隨著編織角增大，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，碳纖維軸紗存在時(shí)，拉伸模量呈上升趨勢(shì)。拉伸強(qiáng)度最大為431.4 MPa，此時(shí)編織角為29.7°。玻纖編織復(fù)合材料斷裂時(shí)表現(xiàn)為纖維束抽出，整體基體出現(xiàn)形變，玻纖碳纖編織復(fù)合材料斷裂時(shí)表現(xiàn)為局部基體破裂，部分纖維束斷裂。