預(yù)埋增強介質(zhì)對玻璃纖維復(fù)合材料低溫彎曲性能的影響

劉喜亮， 許成陽， 王共冬， 李南， 王萌， 韓承霖， 魏玲

(沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院， 沈陽 110136)

玻璃纖維增強塑料(glass fiber reinforced plastic，GFRP)因其可設(shè)計性好、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈衛(wèi)星等軍事領(lǐng)域。當(dāng)飛機在低溫環(huán)境飛行時，機身與機翼等重要部件常面臨彎曲應(yīng)力作用的考驗，容易產(chǎn)生分層等缺陷，導(dǎo)致部件結(jié)構(gòu)性能顯著降低，因此優(yōu)化復(fù)合材料在低溫環(huán)境下的層間斷裂韌性及預(yù)防分層的研究日益成為熱點[1-2]。

目前，優(yōu)化層間斷裂韌性的主要方法是在層間添加增強介質(zhì)，如碳納米管和石墨烯已作為增強介質(zhì)被廣泛應(yīng)用[3-4]。Shin等[5]通過在復(fù)合材料層合板間預(yù)埋碳納米管進(jìn)行軋制的方法，驗證了碳納米管可以有效提高層合板的層間斷裂韌性。Li等[6]研究了預(yù)埋碳納米管薄膜對GFRP構(gòu)件層間剪切強度的影響，研究發(fā)現(xiàn)層合板固化時，碳納米管隨著樹脂擴散到纖維表面，增強了纖維/基體界面的摩擦力與黏接性，因此提高了GFRP層合板的力學(xué)性能。張穎等[7]研究了預(yù)埋碳纖維粉對GFRP構(gòu)件彎曲強度的影響，結(jié)果表明添加碳纖維粉使GFRP構(gòu)件的彎曲強度提高92%。Zhou等[8]研究了預(yù)埋碳納米管對碳纖維復(fù)合材料層合板的彎曲強度和Ⅰ型分層斷裂能的影響，分析得出含有碳納米管的試樣具有更好的彎曲強度，分層斷裂能提高125%。Mishra等[9]研究了不同濃度石墨烯材料對GFRP層壓板力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)添加含量為2%石墨烯增強玻璃纖維復(fù)合材料的彎曲強度和沖擊強度效果最好。Hua等[10]研究了玻璃纖維表面接枝氧化石墨烯/碳納米管復(fù)合涂層對力學(xué)性能的影響，驗證了混合涂層能有效地增強玻璃纖維表面對環(huán)氧樹脂基體的潤濕性，提高力學(xué)性能。Vardhan等[11]研究了在復(fù)合材料層間預(yù)埋陶瓷顆粒對復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響，分析得出陶瓷顆粒可以有效增強復(fù)合材料的力學(xué)性能。在實際應(yīng)用中，復(fù)合材料往往不是在理想條件下使用，如低溫環(huán)境對復(fù)合材料的分層情況有很大的影響。Han等[12]通過在復(fù)合材料中預(yù)埋碳納米管和碳粉的方法，研究預(yù)埋增強介質(zhì)的層合板在低溫循環(huán)下的剪切強度變化，研究發(fā)現(xiàn)添加碳納米管和碳粉使復(fù)合材料層合板層間結(jié)合更緊密，因此提高了層間剪切強度。沈小軍等[13]通過在纖維復(fù)合材料中預(yù)埋石墨烯混合碳納米管的方法，研究復(fù)合材料超低溫下的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)添加石墨烯-碳納米管能有效增強復(fù)合材料超低溫下的力學(xué)性能。赫玉欣等[14]通過在碳纖維復(fù)合材料中預(yù)埋Fe3O4修飾氧化后的碳納米管的方法，研究復(fù)合材料在超低溫循環(huán)條件下的抗微裂紋性能，結(jié)果表明預(yù)埋Fe3O4修飾氧化后的碳納米管的碳纖維復(fù)合材料的微裂紋密度在超低溫環(huán)境下降低了56.2%。

由于飛機上的復(fù)合材料在低溫環(huán)境下的力學(xué)性能和常溫環(huán)境下相比有明顯差異，容易影響飛機高空飛行時的安全性。因此，現(xiàn)通過在GFRP層合板中預(yù)埋碳納米管薄膜與碳粉薄膜，開展低溫環(huán)境下三點彎曲試驗，同時進(jìn)行理論分析，將試驗結(jié)果結(jié)合微觀圖像進(jìn)行對比分析，分別研究預(yù)埋碳納米管薄膜與碳粉薄膜的GFRP層合板在不同溫度下的力學(xué)性能，最后從經(jīng)濟性角度進(jìn)行分析，給出低溫環(huán)境下有效提高復(fù)合材料彎曲承載能力的可行性方案， 節(jié)約成本，為后續(xù)在飛機上的應(yīng)用提供理論和試驗依據(jù)。

1 三點彎曲試驗

1.1 試驗條件

1.1.1 試驗材料

使用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料(山東威海光威復(fù)合材料有限公司)，型號6509/G15000，樹脂體積分?jǐn)?shù)為33%，參數(shù)如表1所示。多壁碳納米管薄膜(成都佳材有限公司)，型號JCMWCP，碳納米管含量0.5 g，厚度為40～60 μm，尺寸Φ12～13 cm。碳粉薄膜(昆山新業(yè)材料有限公司)，碳粉含量0.5 g，厚度為25～50 μm，尺寸20 cm×25 cm。

表1 復(fù)合材料基本力學(xué)性能Table 1 Basic mechanical properties of glass fiber composites

1.1.2 試件設(shè)計

首先，鋪貼GFRP層合板第2層至第15層，其次將裁剪好的矩形尺寸約為80.5 mm×13.5 mm的薄膜直接附著在GFRP層壓板的第2層上面和第15層下面，最后，鋪貼第1層和第16層，如圖1所示。同時，鋪貼GFRP層合板的每3層及全部鋪貼后均真空抽15 min進(jìn)行預(yù)壓實處理。

成型工藝：在120 ℃和0.6 MPa的固化壓力下使用熱壓罐固化2 h后，再經(jīng)過1 h的降溫過程得到試驗所需GFRP層合板，GFRP試樣尺寸參照《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗方法》(GB/T 3356—2014)。圖1所示為碳納米管薄膜和碳粉薄膜在GFRP上下表面的位置示意圖。

圖1 碳納米管薄膜/碳粉薄膜在GFRP層壓板上的 位置示意圖Fig.1 The layout of CNT or carbon on the GFRP laminate

1.1.3 試驗方案

試樣分為6組，分別為不同溫度下有無預(yù)埋碳納米管薄膜和碳粉薄膜的層合板，每組5個樣件，長為80 mm，寬為13 mm，如表2所示。

表2 試件設(shè)計方案Table 2 Design scheme of specimen

參照《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗方法》(GB/T 3356—2014)進(jìn)行三點彎曲試驗，彎曲試驗設(shè)備為沈陽紫微機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的萬電液伺服能試驗機(WEW-LT)，設(shè)置壓頭加載速度與卸載速度均為2 mm/min，試驗示意圖如圖2所示。預(yù)先設(shè)置低溫箱溫度為-60 ℃，當(dāng)?shù)蜏叵溥_(dá)到規(guī)定溫度，對試件A0、B0、C0進(jìn)行15 min保溫，再以2 mm/min速度在試件中點處施加連續(xù)彎曲靜力載荷直至試件破壞，重復(fù)上述試驗步驟完成試驗，每組試驗做5次，取算術(shù)平均值。

通過機器測力傳感器記錄所施加的力，并轉(zhuǎn)化為機械應(yīng)力σ，同時定義ε為機械應(yīng)變。機械應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)缡?1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：P為荷載，N；L為支撐跨距，mm；b為試件寬度，mm；δ為壓頭撓度，mm；h為試件厚度，mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在常溫和低溫條件下分別進(jìn)行碳納米管薄膜增強GFRP層合板、碳粉薄膜增強GFRP層合板與普通GFRP層合板的三點彎曲試驗，得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖3所示。

通過對圖3進(jìn)行分析可知，隨著應(yīng)變的增加，預(yù)埋碳納米管薄膜A0試件在低溫下能承受的應(yīng)力情況高于預(yù)埋碳粉薄膜的B0試件，高于無預(yù)埋的C0試件； A0試件在低溫下能承受的應(yīng)力情況高于A1試件在常溫下能承受的應(yīng)力情況；B0試件低溫下能承受的應(yīng)力情況高于B1試件常溫下能承受的應(yīng)力情況，高于無預(yù)埋的C0試件低溫下能承受的應(yīng)力情況。驗證了預(yù)埋碳納米管薄膜和碳粉薄膜可以有效增強GFRP試件的彎曲性能。

對比常溫和低溫環(huán)境下GFRP試件對應(yīng)的彎曲極限載荷可知，低溫條件下，A0試件、B0試件相比無預(yù)埋的C0試件的極限載荷分別提高74.9%和51.5%，A0試件相對于B0試件的極限載荷分別提高了15.4%。常溫條件下，A1試件、B1試件相比無預(yù)埋的C1試件的極限載荷分別提高了75.3%和53.1%，A1試件相對于B1試件的極限載荷提高了14.5%。

低溫下的C0試件能承受的應(yīng)力情況高于常溫的C1試件，隨著溫度的降低，纖維和樹脂會有不同程度的收縮，使界面摩擦力增大，即低溫環(huán)境下界面摩擦力比常溫環(huán)境下強，進(jìn)而提高了纖維樹脂界面的黏接強度，所以玻璃纖維復(fù)合材料在低溫環(huán)境下的力學(xué)性能比常溫環(huán)境下強。

預(yù)埋碳納米管薄膜的A0試件與預(yù)埋碳粉薄膜的B0試件在低溫下能承受的應(yīng)力情況高于低溫下無預(yù)埋的C0試件，在制備過程中，碳納米管和碳粉會在纖維表面形成許多細(xì)小凹痕，增大纖維/基體的接觸面積，也增加了纖維表面的粗糙度，通過機械嚙合作用和范德華力等作用，同時增加了界面摩擦力，增強了纖維/基體界面的黏接性，提高界面強度。而且，層合板在施加載荷下發(fā)生斷裂破壞時，碳納米管與碳粉可以通過橋接作用[15-16]，對產(chǎn)生裂紋的初期階段起到抑制作用，提高樹脂基體的抗破壞性能。

圖2 三點彎曲試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-point bending test

A0試件低溫下能承受的應(yīng)力情況高于B0試件的原因可能是碳粉在樹脂中的分布沒有碳納米管分布均勻，碳粉容易形成局部團(tuán)聚現(xiàn)象。樹脂對碳粉的包覆容易出現(xiàn)球形聚合，導(dǎo)致碳粉不能很好分

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve

散，導(dǎo)致預(yù)埋碳粉薄膜復(fù)合材料在受力時會有應(yīng)力集中的行為，所以A0試件低溫下能承受的應(yīng)力情況高于B0試件。

2.2 SEM圖像

由圖4(a)和圖4(b)可見，碳納米管薄膜與纖維-樹脂間有較好的結(jié)合界面，纖維表面十分粗糙，當(dāng)壓頭接觸層合板產(chǎn)生裂紋時，碳納米管通過橋接作用來阻礙裂紋的擴展，從而增加裂紋擴展所需要的載荷，即提高了GFRP層合板的層間力學(xué)性能。分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因，可以觀察到圖4(a)中纖維表面比圖4(b)粗糙，表明低溫環(huán)境下的碳納米管薄膜與纖維-樹脂間的結(jié)合比常溫下更緊密，增強了纖維/基體界面的黏接性。再結(jié)合力學(xué)測試結(jié)果可證實，碳納米管薄膜確實改善了層間結(jié)合性能，因此力學(xué)性能最為突出。

觀察圖4(a)與圖4(c)，圖4(a)中纖維表面比圖4(c)粗糙，即圖4(a)界面摩擦力比圖4(c)大， 進(jìn)

圖4 試件微觀圖Fig.4 Specimen microscopic diagram

而影響到界面的黏接強度，可以推測低溫環(huán)境下的碳納米管薄膜與纖維-樹脂間的結(jié)合能力比碳粉薄膜強。同時觀察圖4(c)與圖4(d)，圖4(c)相對圖4(d) 纖維表面無明顯的碳粉團(tuán)聚現(xiàn)象，低溫條件下的B0試件，纖維、樹脂黏接性比常溫好，碳粉與纖維-樹脂間的結(jié)合比常溫時更緊密。結(jié)合力學(xué)測試結(jié)果，分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因，裂紋產(chǎn)生時，碳粉阻礙裂紋擴展能力沒有碳納米管強，因此纖維-碳粉-樹脂混合界面層間結(jié)合性能低于纖維-碳納米管-樹脂混合界面層間結(jié)合性能，所以B0試件彎曲強度強于B1試件，僅次于A0試件、A1試件。

觀察圖4(e)和圖4(f)，圖4(e)中纖維樹脂界面的黏接現(xiàn)象比圖4(f)明顯許多，即低溫環(huán)境下界面摩擦力比常溫環(huán)境下強，進(jìn)而提高了纖維樹脂界面的黏接強度，所以低溫下玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能比常溫強。

綜上可知：在相同溫度條件下，在施加彎曲載荷過程中，層合板層間因為有碳納米管薄膜和碳粉薄膜的存在，形成纖維-碳納米管/碳粉-樹脂混合界面，尤其無序和交錯的碳納米管與碳粉在纖維、樹脂之中的橋接作用，在斷裂破壞表面產(chǎn)生機械嚙合，使得碳納米管與碳粉的存在有效阻礙了裂紋擴展，從而提高GFRP層合板的彎曲強度以及彎曲極限承載能力，但是碳粉阻礙裂紋擴展能力沒有碳納米管強，即預(yù)埋碳納米管薄膜方案的GFRP層合板力學(xué)性能較強；預(yù)埋碳粉薄膜方案和預(yù)埋碳納米管薄膜方案的試件相比彎曲強度略有降低，但是依然有效增強了GFRP的力學(xué)性能，而且同體積的碳粉薄膜的成本價格是碳納米管薄膜的三分之一。綜上所述，預(yù)埋碳粉薄膜增強GFRP的力學(xué)性能方案具有最佳性價比。

3 結(jié) 論

(1) 通過三點彎曲實驗得出：低溫環(huán)境下，預(yù)埋碳納米管薄膜的GFRP試件的彎曲強度提高了74.9%、預(yù)埋碳粉薄膜的GFRP試件的彎曲強度提高了51.5%，預(yù)埋碳納米管薄膜比預(yù)埋碳粉薄膜增GFRP層合板的低溫彎曲性能效果好，預(yù)埋碳粉薄膜增強GFRP的力學(xué)性能方案更經(jīng)濟。

(2) 通過理論分析結(jié)合微觀形貌圖得出：制備預(yù)埋碳納米管薄膜與碳粉薄膜的GFRP層合板過程中，碳納米管和碳粉會在纖維表面形成許多細(xì)小凹痕，增大纖維/基體的接觸面積，也增加了纖維表面的粗糙度，增加了界面摩擦力，增強了纖維/基體界面的黏接性，提高界面強度。發(fā)生斷裂破壞時，碳納米管與碳粉可以通過橋接作用，對產(chǎn)生裂紋的初期階段起到抑制作用，提高樹脂基體的抗破壞性能，所以預(yù)埋碳納米管薄膜與預(yù)埋碳粉薄膜可以增強GFRP層合板低溫彎曲性能。