鋪設(shè)角度對(duì)織物增強(qiáng)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

劉君妹 賈立霞

（1.河北科技大學(xué)，河北石家莊， 050018；2.河北省紡織服裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊， 050018）

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料（Advanced Polymer Matrix Composites）是基于樹(shù)脂和碳纖維等高性能連續(xù)纖維，采用復(fù)合工藝制備而成的復(fù)合材料［1］，自20 世紀(jì)60 年代得到應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)逐步走向成熟［2］。目前用于先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的樹(shù)脂基體主要有環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂和聚酰亞胺樹(shù)脂等［3］。增強(qiáng)體主要有碳纖維、芳綸、玄武巖纖維等高性能纖維及其織物。樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積整體成型等特點(diǎn)，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的重要材料［4］，同時(shí)也在風(fēng)力發(fā)電、汽車(chē)制造等民用領(lǐng)域得到應(yīng)用，產(chǎn)品性能不斷提高。

玄武巖纖維作為一種無(wú)機(jī)高性能纖維，是我國(guó)國(guó)防的戰(zhàn)略性創(chuàng)新材料，也是軍民兩用的新材料。目前全球連續(xù)玄武巖纖維的年總產(chǎn)能已接近1×105t，我國(guó)產(chǎn)量約占世界近90%［5］。對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究大多集中在交通運(yùn)輸、建筑材料等工業(yè)領(lǐng)域［6?8］。玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有容重低、導(dǎo)熱率小、吸潮性低、耐化學(xué)腐蝕性好、綜合性能和性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，因此在工業(yè)上有著重要的使用價(jià)值，廣泛應(yīng)用于市政城建、建筑建材、交通運(yùn)輸、紡織、消防、環(huán)保、航空航天、汽車(chē)船舶制造、工程塑料、新能源及軍工等領(lǐng)域，尤其是市政城建、建筑建材和國(guó)防軍工建設(shè)的一種主要材料［9］。

復(fù)合材料的成型工藝是改進(jìn)并提升先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的關(guān)鍵［10］。樹(shù)脂傳遞模塑成型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)RTM）工藝是目前復(fù)合材料成型工藝中比較成熟、發(fā)展快、應(yīng)用廣的樹(shù)脂模塑成型技術(shù)之一［11］，目前利用RTM 工藝制備玄武巖纖維織物增強(qiáng)復(fù)合板材的研究報(bào)道較少。故采用RTM真空輔助成型工藝制備玄武巖纖維織物增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合板材，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了玄武巖纖維織物不同角度的鋪設(shè)方法，測(cè)試分析最終復(fù)合板材的拉伸和彎曲性能，研究探討織物鋪設(shè)角度對(duì)其性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

選用玄武巖纖維平紋織物為增強(qiáng)體，紗線線密度為100 tex，織物經(jīng)緯紗密度均為100根/10 cm，按照緯紗與水平線夾角為0°、30°和45°裁剪織物試樣?？椢锢煨阅軠y(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 織物試樣的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

復(fù)合板材樹(shù)脂基體選用環(huán)氧樹(shù)脂E51，固化劑甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑DMP?30；偶聯(lián)劑KH560，脫模劑選用美國(guó)進(jìn)口PMR。

1.2 設(shè)備與儀器

FSG11/10 型復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞設(shè)備，模具規(guī)格為36 cm×16 cm×2.3 cm；NDJ?4 型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；電子天平；UTM5105 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 復(fù)合工藝流程

（1）模具準(zhǔn)備：用脫模劑擦拭模具表面3 次，間隔時(shí)間為30 min，并對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度設(shè)為65 ℃。

（2）裝模：在模具內(nèi)鋪放30 層經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑KH560 預(yù)處理的織物，將模具密封。

（3）真空輔助裝置抽真空：將模具內(nèi)抽成真空，避免模具中空氣的包裹形成氣泡。

（4）注入樹(shù)脂體系：樹(shù)脂體系注入溫度為65 ℃，為保證樹(shù)脂對(duì)增強(qiáng)織物的充分浸潤(rùn)與均勻復(fù)合，進(jìn)行二次循環(huán)注膠，總注膠時(shí)間控制在60 min 以?xún)?nèi)。

（5）固化：80 ℃，2 h；100 ℃，3 h；120 ℃，3 h，完成板材固化［12］。

1.4 性能測(cè)試

按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試玄武巖纖維織物增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂板材的拉伸性能。試樣規(guī)格為250 mm×15 mm，試驗(yàn)速度為2 mm/min，每組試樣測(cè)試5 次，記錄板材的破壞載荷、拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率等指標(biāo)。

按照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，采用三點(diǎn)彎曲的方式測(cè)試玄武巖纖維織物增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂板材的彎曲性能。裁制規(guī)格為100 mm×15 mm 的矩形試樣，試驗(yàn)速度為10 mm/min，每組試樣測(cè)試5 次，試樣夾持跨距為80 mm，記錄板材的破壞載荷、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能測(cè)試結(jié)果與分析

3 種不同鋪設(shè)角度的復(fù)合板材拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示，拉伸載荷?位移曲線如圖1所示。

圖1 3 種鋪設(shè)角度復(fù)合板材拉伸載荷?位移曲線及拉伸加載示意圖

表2 不同鋪設(shè)角度復(fù)合板材的拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2 可見(jiàn)，3 種鋪設(shè)角度織物制備的復(fù)合板材拉伸性能差異較大?？椢?°鋪設(shè)復(fù)合板材的拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量最大，斷裂伸長(zhǎng)率最小?？椢?5°鋪設(shè)復(fù)合板材的拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量最小，斷裂伸長(zhǎng)率最大，織物30°鋪設(shè)復(fù)合板材的各項(xiàng)指標(biāo)介于兩者之間。其原因是，增強(qiáng)織物是復(fù)合板材承受拉伸力的主要因素，在各復(fù)合板材纖維體積含量相同的條件下，當(dāng)板材受垂直方向拉伸時(shí)，抵抗拉伸破壞的力主要來(lái)自于平行于拉伸方向的紗線。織物鋪設(shè)角度為0°的復(fù)合板材，其內(nèi)部的纖維方向與所承受拉伸力方向相同，即板材內(nèi)的全部經(jīng)紗同時(shí)抵抗拉伸破壞，紗線強(qiáng)度利用系數(shù)高，板材抵抗變形的能力最大，故板材的拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度最大，而斷裂伸長(zhǎng)率最小。從表1 可見(jiàn)，玄武巖纖維織物紗線呈0°時(shí)的拉伸斷裂應(yīng)力是3 種鋪設(shè)角度中最大的，斷裂伸長(zhǎng)率是最小的，這也是導(dǎo)致織物該方向鋪設(shè)的復(fù)合板材力學(xué)性能呈此種規(guī)律的原因。

織物鋪設(shè)方向呈30°和45°的復(fù)合板材在受垂直方向上的拉伸力時(shí)，經(jīng)緯紗線同時(shí)抵抗外力，但板材中的紗線均與拉伸方向呈一定角度，且經(jīng)緯紗線表現(xiàn)為不連續(xù)的形式。板材受拉伸時(shí)，試樣中的所有紗線分解為與拉伸方向相同的力和與拉伸方向垂直的力，前一種力用于抵抗拉伸破壞，但試樣中的紗線不連續(xù)性導(dǎo)致織物中紗線的強(qiáng)度利用系數(shù)非常小，拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度較小，紗線與拉伸方向的角度越大，分解為與拉伸力方向相同的力越小，抵抗拉伸破壞的能力越差，但板材的彈性較好，斷裂伸長(zhǎng)率較大，表2 的數(shù)據(jù)也證明了這一結(jié)果。同時(shí)，從表1 中玄武巖纖維織物30°和45°的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果也證明了鋪設(shè)角度導(dǎo)致復(fù)合板材拉伸性能變化的原因。

由圖1 可見(jiàn)，3 種鋪設(shè)角度的復(fù)合板材的載荷?位移曲線有一定差異。在初始階段，3 種復(fù)合板材均呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，曲線的斜率有一定差異，說(shuō)明拉伸初始階段，板材抵抗拉伸變形的能力不同，即拉伸彈性模量存在差異，0°板材最初階段的斜率大于其他兩種板材，其拉伸彈性模量最大，45°板材拉伸彈性模量最低。從板材破壞曲線還可以看出，0°板材和30°板材呈現(xiàn)出類(lèi)似的變化規(guī)律，在應(yīng)變較小時(shí)發(fā)生脆性斷裂破壞，從板材的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率也證明了這一規(guī)律。45°板材在位移較大的時(shí)候發(fā)生破壞，且拉伸曲線呈現(xiàn)出較大的彈性，這也是由該鋪設(shè)角度織物復(fù)合板材的斷裂伸長(zhǎng)率較大決定的。

2.2 彎曲性能測(cè)試結(jié)果與分析

3 種鋪設(shè)角度的復(fù)合板材縱向彎曲性能測(cè)試結(jié)果如表3 所示，縱向彎曲載荷?位移曲線及彎曲加載如圖2 所示。

表3 3 種鋪設(shè)角度復(fù)合板材的彎曲性能測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 不同鋪設(shè)角度復(fù)合板材彎曲載荷?位移曲線及彎曲加載示意圖

由表3 和圖2 可知，織物鋪設(shè)角度0°的復(fù)合板材彎曲破壞載荷為1 376.54 N，彎曲強(qiáng)度為440.41 MPa，彎曲彈性模量為427.46 MPa，明顯優(yōu)于鋪設(shè)角度為30°與45°復(fù)合板材各項(xiàng)指標(biāo)?？椢锍?0°鋪設(shè)的復(fù)合板材的各項(xiàng)指標(biāo)小于45°鋪設(shè)的復(fù)合板材，但差異不大。

從圖2 可以看出，織物0°鋪設(shè)復(fù)合板材的彎曲載荷?位移曲線呈脆性斷裂模式，初始階段的斜率最大，板材斷裂損壞時(shí)的位移最小，說(shuō)明該板材抵抗外力時(shí)的變形小。其原因是，板材受到三點(diǎn)彎曲載荷時(shí)，上表面主要承受壓縮應(yīng)力，下表面主要承受拉伸應(yīng)力。當(dāng)彎曲載荷增加到最大時(shí)，織物增強(qiáng)復(fù)合板材試樣開(kāi)始分層，板材下表面織物中的所有紗線同時(shí)受到拉伸而斷裂，紗線沒(méi)有任何方向的分力，直至試樣逐漸斷裂失效。

織物鋪設(shè)角度為30°和45°復(fù)合板材的彎曲載荷?位移曲線呈現(xiàn)假塑性斷裂模式：當(dāng)彎曲應(yīng)力較小時(shí)，隨應(yīng)力的增加，曲線呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，此時(shí)試樣處于彈性狀態(tài)，主要發(fā)生彎曲變形；當(dāng)彎曲載荷逐漸增加到最大時(shí)，試樣變形達(dá)到最大，達(dá)到彎曲極限強(qiáng)度，隨后，曲線呈逐漸下降趨勢(shì)。其原因是，板材承受三點(diǎn)彎曲載荷時(shí)，板材下表面織物中的經(jīng)紗和緯紗在拉伸方向的分力共同抵抗外力，由于試樣尺寸的限制，板材中的經(jīng)緯紗線長(zhǎng)短不一致，呈現(xiàn)不連續(xù)的分布，導(dǎo)致板材中各層織物受到拉伸力時(shí)，只有部分經(jīng)紗和緯紗的分力抵抗拉伸破壞，所以，這兩種板材能承受的破壞載荷大大降低，且角度越大，水平方向的分力越大，最終結(jié)果是織物45°鋪設(shè)的復(fù)合板材的破壞載荷略大于30°板材。0°板材內(nèi)部每層織物的經(jīng)紗承受拉伸載荷時(shí)，經(jīng)紗沒(méi)有任何水平方向的分力，所以0°板材的彎曲破壞載荷最大，且該種鋪設(shè)角度織物變形最小，故板材破壞時(shí)位移最小。

3 結(jié)論

（1）不同的織物鋪設(shè)角度對(duì)復(fù)合板材的拉伸性能影響較大。0°鋪設(shè)復(fù)合板材的拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度最大，但斷裂伸長(zhǎng)率最小，45°板材的拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度最小，但是斷裂伸長(zhǎng)率最大，30°板材的各項(xiàng)拉伸指標(biāo)介于兩者之間。

（2）不同的織物鋪設(shè)角度對(duì)復(fù)合板材的彎曲性能有顯著影響。0°鋪設(shè)的復(fù)合板材的彎曲性能（彎曲破壞載荷、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量）明顯優(yōu)于30°、45°板材，但破壞時(shí)的位移最小，45°和30°鋪設(shè)板材的彎曲性能差異較小，45°的板材的彎曲性能略好于30°鋪設(shè)板材。