芳綸包覆碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的軸向壓縮性能研究

阮芳濤，夏成龍，張寶根，曹 葉，劉 志，徐珍珍，章勁草 ?

（1.安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國(guó)際聯(lián)合聯(lián)合中心，安徽 蕪湖 241000；3.上海楚江企業(yè)發(fā)展有限公司，上海 200000）

0 前言

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一類(lèi)結(jié)合織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合材料成型技術(shù)的先進(jìn)復(fù)合材料。具有高比強(qiáng)度和高比剛度的復(fù)合材料不僅具有減重效益，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料選配等方法改善材料的結(jié)構(gòu)性能 和 效 能［1?4］。 連 續(xù) 碳 纖 維 增 強(qiáng) 樹(shù) 脂 基 復(fù) 合 材 料（CFRP）作為輕量化結(jié)構(gòu)材料在航空航天、軍事工業(yè)和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是由于連續(xù)纖維在復(fù)合材料中是以取向排列結(jié)構(gòu)存在，導(dǎo)致其力學(xué)性能具有各向異性，在纖維軸向壓縮方向上由于受到纖維屈曲失穩(wěn)、脫黏等破壞機(jī)理的影響，其抗壓縮破壞性能較差［5］。如單向碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度是其拉伸強(qiáng)度的50%～60%，對(duì)有機(jī)纖維來(lái)說(shuō)這種趨勢(shì)更為明顯，如超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的壓縮強(qiáng)度是其拉伸強(qiáng)度的10%［6］。當(dāng)復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲載荷作用下，通常也是先在受壓面發(fā)生破壞［7］。近年來(lái)，CFRP的拉伸強(qiáng)度隨著碳纖維的性能提升而增高，但軸向壓縮是一類(lèi)結(jié)構(gòu)破壞而非材料破壞，因此提升幅度很少。在壓縮載荷的作用下，CFRP內(nèi)部裂紋通常沒(méi)有緩慢擴(kuò)展的過(guò)程，會(huì)由孔隙、疲勞、沖擊損傷、應(yīng)力集中等現(xiàn)象而導(dǎo)致CFRP出現(xiàn)壓潰性的結(jié)構(gòu)破壞［8］。CFRP較弱的軸向壓縮性能制約了其作為結(jié)構(gòu)材料的系統(tǒng)效率發(fā)揮，也導(dǎo)致碳纖維的高性能在復(fù)合材料中得不到充分利用。

Rosen［9］最早研究了單向纖維復(fù)合材料的軸向壓縮斷裂模式，認(rèn)為樹(shù)脂基體線彈性變形下的纖維屈曲失效是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮破壞的主要損傷機(jī)理，當(dāng)復(fù)合材料在承受纖維方向的強(qiáng)壓縮載荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由纖維細(xì)觀失穩(wěn)而引發(fā)的突然破壞，并由此建立了纖維屈曲失效模型。Argon［10］認(rèn)為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮破壞是一個(gè)屈曲過(guò)程，類(lèi)似于金屬晶體扭結(jié)帶的形成過(guò)程，纖維的塑性微屈曲是復(fù)合材料壓縮破壞的主要原因。Srinivasa等［11］使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了單向碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料壓縮破壞機(jī)理形式，觀察到局部區(qū)域纖維微屈曲導(dǎo)致纖維斷裂，認(rèn)為形成不規(guī)則、階梯狀斷裂面是復(fù)合材料破壞的主要原因。Fleck［12］分析得出當(dāng)纖維體積含量低時(shí)，易發(fā)生橫向屈曲失穩(wěn)模式，纖維體積含量高時(shí)，則易發(fā)生剪切屈曲失穩(wěn)模式。目前對(duì)于提高CFRP的軸向壓縮性能的方法主要是采用三維織造技術(shù)，在改善材料的分層破壞的同時(shí)也使其軸向壓縮強(qiáng)度得以提升。陳利等［13］制備了三維五向與六向編織復(fù)合材料，分析了不同編織角和紗線種類(lèi)對(duì)兩種材料軸向壓縮性能的影響，研究結(jié)果表明壓縮強(qiáng)度、模量和泊松比都隨著編織角的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而且減小編織紗的細(xì)度能夠提高面內(nèi)紗線的體積含量，從而提高材料的面內(nèi)壓縮性能。三維編織復(fù)合材料壓縮性能的提高是以降低偏向紗在拉伸方向的性能為代價(jià)，在復(fù)合材料內(nèi)部剩余較多編織空隙，使復(fù)合材料中的有效纖維體積含有率降低，降低了材料整體的結(jié)構(gòu)效能。

藤蔓和竹子等植物的莖桿部分都有較大的長(zhǎng)徑比，但是其抗壓強(qiáng)度比較好，即這類(lèi)植物的壓桿穩(wěn)定性較好，除了與模量和慣性矩有關(guān)，其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也具有提高軸向壓桿穩(wěn)定的作用。本文采用仿生結(jié)構(gòu)，通過(guò)單向、雙向纏繞法制備了不同包覆密度的芳綸長(zhǎng)絲包覆碳纖維束，利用真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型方法得到單根及多根碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，測(cè)試了不同包覆碳纖維的軸向壓縮強(qiáng)度，分析了包覆方式、纏繞密度和碳纖維束數(shù)量對(duì)復(fù)合材料軸向壓縮強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

連續(xù)碳纖維，T300，日本東麗有限公司；

芳綸1414，110dtex，桐鄉(xiāng)軒泰復(fù)合材料有限公司；

高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂，JL?235，常熟佳發(fā)化工有限公司；

高強(qiáng)度固化劑，JH?242，常熟佳發(fā)化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熱壓機(jī)，YLJ?HP300，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；

金相試樣磨拋機(jī)，MP?2B，濟(jì)南峰志試驗(yàn)儀器公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW?20，濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；

高清CCD測(cè)量顯微鏡，GP?300C，昆山精密儀器有限公司；

SEM，S4800，日本日立公司。

1.3 樣品制備

包覆CFRP的制備：通過(guò)長(zhǎng)絲纏繞法制備芳綸纖維包覆碳纖維束，本文設(shè)計(jì)了兩類(lèi)纏繞方式，分別是單向（R）和雙向（S）纏繞，其纏繞方式如圖1所示；共制備了13種試樣，試樣編號(hào)列于表1，其中下標(biāo)的數(shù)字表示芳綸長(zhǎng)絲的纏繞密度，表示每2 cm芳綸在碳纖維束上的圈數(shù)，如R5表示2 cm芳綸在碳纖維上共纏繞了5圈，和R7和R10相比，其纏繞密度是最小的，R10的纏繞密度最大；TR表示復(fù)合材料試樣中有兩束碳纖維并列排放，R0和S0是未包覆的單束碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂，TR0和TS0是未包覆的雙束碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂；

表1 芳綸長(zhǎng)絲包覆碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的試樣編號(hào)Tab.1 Sample number of aramid filament wrapped CFRP

圖1 纏繞法制備芳綸長(zhǎng)絲包覆碳纖維示意圖Fig.1 Schematic diagram of aramid filament wrapped carbon fiber prepared by covering method

然后將一束或兩束碳纖維置于啞鈴狀模具中，采用真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型法將纖維與環(huán)氧樹(shù)脂（樹(shù)脂和固化劑的質(zhì)量比為10∶3）復(fù)合，固化成型后將采用磨拋機(jī)將試樣兩端磨平，制備出包覆纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮測(cè)試試樣，試樣的厚度為2 mm，其余尺寸如圖2所示。

圖2 芳綸長(zhǎng)絲包覆碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂試樣Fig.2 Aramid filament wrapped carbon fiber/epoxy resin sample

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

軸向壓縮強(qiáng)度測(cè)定：采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)試復(fù)合材料軸向壓縮強(qiáng)度，測(cè)試時(shí)使用輔助夾持工具使得測(cè)試試樣保持豎立，并且壓縮破壞部位在試樣的中間部位，壓縮速率為2 mm/min，每組有效試樣數(shù)為10個(gè)，得到壓縮破壞最大應(yīng)力Fmax，壓縮強(qiáng)度P為Fmax/S，S為試樣中部的橫截面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)絲纏繞參數(shù)對(duì)包覆碳纖維復(fù)合材料軸向壓縮性能的影響

在理想條件下，對(duì)單向纖維復(fù)合材料的軸向壓縮過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于增強(qiáng)纖維的剛度遠(yuǎn)大于樹(shù)脂基體剛度，壓縮力主要由增強(qiáng)纖維來(lái)承擔(dān)，而纖維能承受壓縮載荷是由于得到了樹(shù)脂基體的橫向支撐，因此，單向纖維復(fù)合材料的壓縮問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是橫向基體彈性支撐下纖維的臨界失穩(wěn)應(yīng)力問(wèn)題。而在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，纖維復(fù)合材料的軸向壓縮主要存在以下幾種斷裂破壞模式：（1）若樹(shù)脂基體與纖維相比強(qiáng)度和韌性相對(duì)較弱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂和纖維脫黏、樹(shù)脂基體斷裂；（2）若樹(shù)脂基體與纖維相比韌性和強(qiáng)度較高，但纖維與基體界面結(jié)合性能較差時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生分層缺陷及磨損損傷；（3）若樹(shù)脂基體與纖維相比，韌性和強(qiáng)度較高，且纖維與基體界面結(jié)合性能較好時(shí)，則材料會(huì)剪切破壞，即纖維屈曲失穩(wěn)、壓潰。在以上情況中，斷裂破壞模式（3）最接近理想狀況，相應(yīng)的復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度最高，即壓縮性能較好。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在壓縮加載過(guò)程中發(fā)生的變形、破裂，會(huì)受到纖維模量、纖維初始排列位置、內(nèi)部缺陷及樹(shù)脂界面等因素的影響，從而導(dǎo)致復(fù)合材料壓縮行為和破壞模式的變化。本實(shí)驗(yàn)制備的測(cè)試試樣中的碳纖維含量較小，環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維間的粘結(jié)性能較好，壓縮破壞模式為纖維屈曲失穩(wěn)繼而壓潰，出現(xiàn)了碳纖維扭折角。

從圖3可以看出，使用芳綸長(zhǎng)絲纏繞的包覆碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂試樣的軸向壓縮強(qiáng)度均有不同程度的提高。對(duì)于單向纏繞碳纖維復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，R10、R7和R5相較于未纏繞的R0，軸向壓縮強(qiáng)度分別增加了44.2%，25%和17.16%。單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在承壓時(shí)，纖維先達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)，之后發(fā)生纖維屈曲或微屈曲，屈曲發(fā)生在局部纖維彎折區(qū)域，并在彎折兩端形成帶狀斷裂，當(dāng)外加壓力達(dá)到壓縮強(qiáng)度附近時(shí)，纖維復(fù)合材料的某一特征斜截面上會(huì)突然出現(xiàn)形成貫穿型折帶，即產(chǎn)生纖維扭折破壞，包覆纖維的作用體現(xiàn)在屈曲階段，如圖4所示。從材料力學(xué)的壓桿穩(wěn)定力學(xué)角度出發(fā)，由于碳纖維和樹(shù)脂基體的模量相差很大，纖維屈曲失穩(wěn)符合歐拉壓桿失穩(wěn)定理，即：

圖3 不同方式包覆環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維的壓縮強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of carbon fiber/epoxy resin wrapped in different covering methods

圖4 纖維復(fù)合材料壓縮載荷下增強(qiáng)纖維的曲屈失穩(wěn)Fig.4 Buckling instability of fibers under compressive load

式中Pcr——臨界壓縮載荷

GEI——纖維的彎曲剛度

l——屈曲波長(zhǎng)

采用纖維包覆方法可使增強(qiáng)纖維在壓縮屈曲過(guò)程中受限，若在纖維發(fā)生屈曲失穩(wěn)時(shí)，屈曲波長(zhǎng)l受限變短，那臨界壓縮載荷Pcr將會(huì)提升，如圖5所示。并且l的值越小，Pcr的值將越大。從芳綸長(zhǎng)絲包覆密度數(shù)據(jù)來(lái)看，是符合歐拉公式的。從圖1的數(shù)據(jù)還可看出，芳綸長(zhǎng)絲的包覆方式對(duì)軸向壓縮強(qiáng)度也有較大的影響。當(dāng)包覆密度相同時(shí)，R5、R7、R10相較于S5、S7、S10能承受的壓縮強(qiáng)度分別增加了55.28%、12.98%和58.24%。當(dāng)采用雙向纏繞包覆方式時(shí)，屈曲失穩(wěn)階段碳纖維將得到更多的支撐點(diǎn)F0，壓縮屈曲力可以由相對(duì)稱(chēng)的產(chǎn)生的拉伸力相抵消，使其臨界屈曲力增大壓縮屈曲力進(jìn)一步提升［14］。

圖5 包覆法限制纖維屈曲原理圖Fig.5 Schematic diagram of limiting fiber buckling by covering method

2.2 增強(qiáng)纖維束的數(shù)量對(duì)包覆碳纖維復(fù)合材料軸向壓縮性能的影響

復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用中，碳纖維束的量非常多，相鄰的碳纖維束會(huì)相互影響，因此有必要分析復(fù)合材料中多束增強(qiáng)碳纖維的軸向壓縮情況。圖6、圖7對(duì)比了單束和雙束碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂的壓縮強(qiáng)度，不論是單向纏繞還是雙向纏繞，雙束碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的軸向抗壓強(qiáng)度都要比單束的試樣要高。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，TR5、TR7和TR10的壓縮強(qiáng)度分別比R5、R7和R10增加了56.44%、71.44%和 52.69%。TS5、TS7和 TS10的壓縮強(qiáng)度分別比S5、S7和S10增加39.59%、44.1%和25.76%。和未纏繞的單束碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂相比，未纏繞的雙束碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)了18.59%，以此作為基準(zhǔn)除去碳纖維體積含有率的影響。TR5、TR7和TR10的壓縮強(qiáng)度分別比R5、R7和R10增加了37.85%、52.85%和33.8%。TS5、TS7和TS10的壓縮強(qiáng)度分別比S5、S7和S10增加了21%、25.51%和7.17%。這表明隨著碳纖維束的增多，軸向壓縮強(qiáng)度變大。這是因?yàn)樘祭w維束增多在承受壓縮載荷時(shí)，在碳纖維發(fā)生屈曲后進(jìn)而局部纖維形成彎折區(qū)域時(shí)，除了受到包覆纖維的影響之外，其鄰近的高模量碳纖維也會(huì)限制其屈曲狀態(tài)，從而提高其壓縮強(qiáng)度，但是其影響的范圍有限，存在極限值。Ueda等［15］研究發(fā)現(xiàn)，單向碳纖維復(fù)合材料的軸向壓縮強(qiáng)度極限是1 800 MPa。采用包覆結(jié)構(gòu)的碳纖維或許能夠突破極限值，使得軸向壓縮強(qiáng)度能夠得到進(jìn)一步的提升。

圖6 單向方式包覆碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂的壓縮強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of covering carbon fiber/epoxy resin with one?way method

圖7 雙向方式包覆碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂的壓縮強(qiáng)度Fig.7 Compressive strength of covering carbon fiber/epoxy resin with two?way method

3 結(jié)論

（1）不論是單向纏繞還是雙向纏繞，纖維纏繞密度越大，包覆碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度越高；

（2）相較于單向包覆的碳纖維復(fù)合材料，雙向包覆的復(fù)合材料中的纖維受到壓縮時(shí)發(fā)生的屈曲波長(zhǎng)越小，臨界荷載越大，使用雙向包覆的碳纖維復(fù)合材料能夠承受的臨界壓縮荷載更大，壓縮強(qiáng)度越高；

（3）增強(qiáng)纖維束的數(shù)量會(huì)影響包覆復(fù)合材料壓縮時(shí)的屈曲狀態(tài)，纖維束的量越多，屈曲受限的程度越大，但存在臨界值。