碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料層間斷裂韌度

袁衛(wèi)可, 李 巖,2*, 趙 劍

（1．同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院, 上海 200092；2．同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092）

碳纖維由于其高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐疲勞和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)成為目前復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的纖維之一[1]。但是碳纖維表面較為光滑，與樹脂結(jié)合能力較差，導(dǎo)致其增強(qiáng)復(fù)合材料層間斷裂韌度較低，抗分層能力較弱[2]。碳纖維為人造纖維，其增強(qiáng)復(fù)合材料難以回收和降解，帶來了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，同時(shí)碳纖維生產(chǎn)過程需要消耗較多的能源，造價(jià)較高[3]。以上因素均在一定程度上限制了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）的使用。

相比于碳纖維，以亞麻纖維為代表的植物纖維，不僅來源豐富、價(jià)格低廉、生產(chǎn)過程能耗低、可再生、可生物降解，而且具有可比擬玻璃纖維的比強(qiáng)度和比模量以及良好的吸聲[4]、隔熱[5]和阻尼性能[6]。最重要的是，亞麻纖維的多尺度結(jié)構(gòu)為其增強(qiáng)復(fù)合材料帶來了獨(dú)特的層間破壞模式。Singleton等[7]研究了亞麻纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的抗沖擊性能，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在沖擊過程中發(fā)生纖維滑移、基體開裂、纖維開裂、纖維劈裂、纖維斷裂以及纖維拔出等多層次多尺度的失效模式。這種失效模式使亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間力學(xué)性能遠(yuǎn)高于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[8]。

混雜復(fù)合材料是含有兩種或兩種以上增強(qiáng)纖維的一種復(fù)合材料。與單種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，混雜復(fù)合材料能夠綜合多種纖維的性能特點(diǎn)，兼容多種增強(qiáng)纖維各自的屬性，從而根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和承載要求進(jìn)行復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。通過大量混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的研究表明，不同種類纖維的混雜，可以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊等性能[9]。為了提高玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，Isa 等[10]制造了芳綸/玻璃纖維混雜復(fù)合材料，結(jié)果表明該混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高19%。Kumar 等[11]在劍麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中混雜了玻璃纖維來提高其彎曲性能，彎曲強(qiáng)度約提高了61%。Hosur 等[12]也通過制備玻璃/碳纖維混雜復(fù)合材料來提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊能力，在低速?zèng)_擊測(cè)試中玻璃/碳纖維混雜復(fù)合材料達(dá)到最大力所損耗的能量是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的2.7 倍。

為了提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗分層能力，同時(shí)降低材料的成本，減少對(duì)環(huán)境影響，本工作使用模壓工藝制備碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料（carbon/flax fiber reinforced polymer，CFFRP），通過雙懸臂梁（DCB）實(shí)驗(yàn)和端部缺口梁彎曲（ENF）實(shí)驗(yàn)研究其Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌度，并借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其層間斷裂表面微觀形貌，分析其層間破壞機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

雙酚A 環(huán)氧樹脂和胺類固化劑均產(chǎn)自道生天合材料科技（上海）股份有限公司。T300 單向纖維布產(chǎn)自上海晉飛碳纖科技股份有限公司，面密度和密度分別為180 g/m2和1.8 g/cm3。單向亞麻纖維布產(chǎn)自比利時(shí)Lineo 公司，面密度為200 g/m2，密度為1.5 g/cm3。

1.2 試樣制備

采用模壓成型工藝制備碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料層間斷裂韌度測(cè)試試樣，工藝流程如圖1 所示：首先，將碳纖維單向布（C）和亞麻纖維單向布（F）裁剪成尺寸為單根試樣六倍左右大小的長(zhǎng)方形。然后將裁剪好的纖維布沿0°方向以[C8/F3/C8/F3]鋪層方案進(jìn)行鋪設(shè)，在第11 層的亞麻纖維布和第12 層的碳纖維布一端鋪設(shè)聚四氟乙烯薄膜來預(yù)制裂紋，使得實(shí)驗(yàn)過程中裂紋沿亞麻纖維和碳纖維層間擴(kuò)展。鋪層完成后，以100∶26 的比例配置環(huán)氧樹脂和固化劑，充分?jǐn)嚢韬蠓湃胝婵蘸嫦渲谐槿渲瑑?nèi)多余空氣。使用刷子將抽取過真空的樹脂均勻、重復(fù)地涂抹于鋪設(shè)完畢的纖維布上，直至樹脂將所有纖維充分浸潤(rùn)。打開熱壓機(jī)預(yù)熱，待溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，將浸潤(rùn)完畢的纖維布放入熱壓機(jī)模具內(nèi)，不加壓保溫20 min；再施加5 MPa 壓力，溫度升至120 ℃保溫保壓2 h，關(guān)閉設(shè)備。待模具完全冷卻后，泄去壓力，開模取出復(fù)合材料。使用水切割設(shè)備將復(fù)合材料切成DCB 和ENF 試樣所需尺寸。最終在DCB 試樣存在預(yù)裂紋一側(cè)的端部上下表面粘接加載鉸鏈，并控制加載點(diǎn)至預(yù)裂紋端部距離為50 mm，碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料層間斷裂韌度測(cè)試試樣制備完成（纖維體積分?jǐn)?shù)59.15%）。以相同樹脂體系和固化工藝制得在中間層存在預(yù)裂紋的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣（纖維體積分?jǐn)?shù)為60%），用于性能測(cè)試對(duì)比。

圖1 層間斷裂韌度測(cè)試試樣制備流程圖Fig. 1 Fabrication flowchart of interlaminar fracture toughness test specimens

1.3 測(cè)試與表征方法

1.3.1 Ⅰ型層間斷裂韌度

參考ASTM D5528 標(biāo)準(zhǔn)，通過DCB 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。試樣尺寸為180 mm×20 mm×4 mm，其中預(yù)裂紋長(zhǎng)度為50 mm。實(shí)驗(yàn)加載速度為2 mm/min。最終Ⅰ型層間斷裂韌度GⅠc采用修正梁理論按式（1）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果取五組測(cè)試的平均值。

式中：P為載荷；δ為加載點(diǎn)位移；b為試樣寬度；a為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度；Δ為裂紋修正系數(shù)。

1.3.2 Ⅱ型層間斷裂韌度

根據(jù)ASTM D7905/D7905M 標(biāo)準(zhǔn)，通過ENF實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料的Ⅱ型層間斷裂韌度GⅡc。試樣尺寸為180 mm×20 mm×4 mm，預(yù)裂紋長(zhǎng)度為55 mm。實(shí)驗(yàn)加載速度為1 mm/min。GⅡc計(jì)算公式如式（2）所示，結(jié)果取五組測(cè)試的平均值。

式中：Pmax為試樣破壞前最大載荷；m為柔度校正系數(shù)；a0為初始裂紋長(zhǎng)度；B為試樣寬度。

1.3.3 斷裂表面微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料DCB 和ENF 實(shí)驗(yàn)試樣斷裂表面微觀形貌。樹脂基復(fù)合材料基本不導(dǎo)電，觀察前需預(yù)先將材料觀察面進(jìn)行噴金處理，切割尺寸為10 mm×10 mm 的試樣，用導(dǎo)電膠粘在電鏡支座上，然后將試樣放入掃描電子顯微鏡中觀察微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ⅰ型層間斷裂韌度

圖2 為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）和碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料（CFFRP）的DCB 實(shí)驗(yàn)載荷與位移關(guān)系曲線和R曲線。 CFRP 在裂紋擴(kuò)展過程中的Ⅰ型層間斷裂韌度為0.37 kJ/m2，CFFRP 的為1.29 kJ/m2，約為CFRP 的3.5 倍。CFFRP 斷裂韌度提高的原因可通過觀察分層破壞試樣（圖3）和斷裂表面SEM 照片（圖4）得出。

圖2 CFRP 和CFFRP 復(fù)合材料 （a） DCB 實(shí)驗(yàn)載荷與位移關(guān)系曲線； （b） Ⅰ型R曲線Fig. 2 CFRP and CFFRP composites （a） load-displacement curves obtained during DCB tests； （b） resistance curve （Rcurve）of Ⅰtype

圖3 復(fù)合材料層DCB 破壞間斷裂試樣 （a）CFRP；（b）CFFRP Fig. 3 Delaminated specimens by DCB test （a） CFRP ； （b） CFFRP

圖4 復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂破壞表面SEM 照片 （a）CFRP；（b）CFFRP；（c），（d）CFFRP 亞麻層；（e）CFFRP 碳纖層Fig. 4 SEM photos of surface after the fracture by DCB test （a） CFRP composites; （b） CFFRP composites; （c）, （d） flax fiber layer in CFFRP ; （e） carbon fiber layer in CFFRP

圖3 為復(fù)合材料層DCB 破壞間斷裂試樣。CFRP 層間斷裂表面較為平滑（圖3（a）），CFFRP的斷裂表面比較粗糙，可明顯看到有部分亞麻纖維被剝離出來，并有部分亞麻纖維黏附于碳纖維層（圖3（b））。由此可以看出CFFRP 的Ⅰ型層間破壞機(jī)理要比CFRP 的復(fù)雜得多。

圖4 為復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂破壞表面SEM 照片。CFRP 復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂面碳纖維直接從環(huán)氧基體中剝離，表面比較均勻、光滑，只有少量的環(huán)氧樹脂碎片附著于纖維表面（圖4（a）），表明碳纖維和環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合較弱，造成CFRP 復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂韌度較低。

單向碳纖維布是由大量自身表面較為光滑，直徑相對(duì)均勻的碳纖維單絲平行紡織而成，其整體結(jié)構(gòu)的差異性不大。而亞麻紗線由于受到單纖維加捻、纖維直徑不均一、纖維多層級(jí)結(jié)構(gòu)等因素的影響，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出紗線、纖維以及微纖絲共存的多枝狀結(jié)構(gòu)特征。這種不規(guī)則的多尺度結(jié)構(gòu)導(dǎo)致碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料的層間破壞失效機(jī)理相比碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)雜得多。

從CFFRP 復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂表面SEM 照片中可以看到，層間裂紋擴(kuò)展路徑上下的亞麻纖維層和碳纖維層之間發(fā)生了亞麻纖維與碳纖維之間的纖維纏結(jié)（圖4（b）），以及亞麻纖維與亞麻纖維之間的纏結(jié)（圖4（c）），這些均是由亞麻纖維這種多枝狀的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致。而且纖維的纏結(jié)也使得部分亞麻纖維被拉到面外為材料Z方向進(jìn)行增強(qiáng)，提高層間斷裂韌度[8]。此外，高強(qiáng)度的碳纖維在分層時(shí)基本上不發(fā)生斷裂破壞，偶爾也只會(huì)有部分纖維脫落；而亞麻纖維是由更短的基礎(chǔ)纖維組成，長(zhǎng)度和直徑都不規(guī)則，這種不規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)造成纖維不均勻的斷裂面，分層破壞時(shí)的亞麻纖維更容易被拔出[13]?？梢钥吹絾胃鶃喡槔w維的斷裂、纖維剝離和偏轉(zhuǎn)（圖4（d））。另外，亞麻纖維層內(nèi)相對(duì)弱的結(jié)合性能導(dǎo)致纖維內(nèi)細(xì)胞纖維壁層的裂開和剝落，并伴隨大量從S2 層剝離的微纖絲（圖4（e））。這種情況也會(huì)提高材料的層間斷裂韌度，因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展路徑會(huì)延伸至纖維和纖維束之間[14]，而亞麻內(nèi)部細(xì)胞纖維壁層的開裂，使得裂紋增加了更多不同層間擴(kuò)展的路徑，有更多的斷裂面。而且細(xì)胞纖維壁層開裂而導(dǎo)致微纖絲之間的摩擦也會(huì)消耗更多的能量[15]。上述分層機(jī)制使得亞麻纖維抵抗破壞的能力提升[16]，導(dǎo)致分層時(shí)大部分的能量通過上述機(jī)制而被吸收[13]，所以CFFRP復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂韌度比CFRP 復(fù)合材料的高出許多。

2.2 Ⅱ型層間斷裂韌度

通過ENF 實(shí)驗(yàn)測(cè)得CFRP 復(fù)合材料的GⅡc值為0.88 kJ/m2，CFFRP 復(fù)合材料的GⅡc值為1.09 kJ/m2，比CFRP 復(fù)合材料的高23.86%。

圖5 為復(fù)合材料Ⅱ型層間斷裂表面SEM 照片。從圖5（a）可以看出，碳纖維表面比較光滑和干凈，表明碳纖維和環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合性能相對(duì)較弱，導(dǎo)致相對(duì)較低的Ⅱ型層間斷裂韌度。此外，在單根碳纖維之間能看到在剪切載荷下，環(huán)氧樹脂呈典型的梳毛狀破壞。

圖5 復(fù)合材料Ⅱ型層間斷裂表面SEM 照片 （a）CFRP；（b）CFFRP 亞麻層；（c）CFFRP 碳纖層Fig. 5 SEM photos of surface after the fracture by ENF test （a） CFRP composites; （b） flax fiber layer in CFFRP; （c） carbon fiber layer in CFFRP

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層間混雜亞麻纖維之后，分層破壞后的碳纖維層表面會(huì)附著一些亞麻微纖絲（圖5（b））；在亞麻纖維層可以看到在剪切力作用下，很多亞麻壁層纖維被撕裂（圖5（c）），并且互相之間或者和微纖絲纏結(jié)在一起。層間混雜亞麻纖維之后，異相界面之間碳纖維和亞麻纖維之間的相互纏結(jié)、亞麻纖維自身之間的纏繞、剪切應(yīng)力作用下亞麻纖維壁層劈裂造成的纖維壁層之間以及微纖絲之間的纏結(jié)，提升了復(fù)合材料的Ⅱ型層間斷裂韌度。

3 結(jié)論

（1）碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂韌度為1.29 kJ/m2，約為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的（0.37 kJ/m2）的3.5 倍。

（2）碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料的Ⅱ型層間斷裂韌度為1.09 kJ/m2，與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的（0.88 kJ/m2）相比提高了23.86%。

（3）碳/亞麻纖維混雜復(fù)合材料的層間增韌機(jī)理為：亞麻纖維的多尺度特征導(dǎo)致層間斷裂模式更為復(fù)雜，一定程度上減緩了界面分層擴(kuò)展。