加捻對(duì)碳纖維增強(qiáng)三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響研究＊

周海麗，黃 建，孫方方，李 超，張立泉

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

加捻是纖維沿著軸向回繞，使纖維產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，外層纖維在承受張力作用的同時(shí)也對(duì)內(nèi)層纖維產(chǎn)生向心壓力，促使纖維相互抱緊擠壓，增加了纖維間的滑動(dòng)阻力和緊密度［1~2］。加捻在一定程度上提高纖維絲的斷裂強(qiáng)力［3~4］，且加捻紗束在拉伸的過程中，捻回角和直徑均逐漸減小，因此紗束的斷裂伸長(zhǎng)率也會(huì)有所提高，有助于復(fù)合材料抗沖擊性能的提升。但當(dāng)對(duì)紗線進(jìn)行加捻時(shí)，纖維扭曲使得單絲內(nèi)的分子鏈?zhǔn)艿郊羟凶饔茫资估w維發(fā)生軸向剪切失效，造成纖維損傷，因此加捻也有使碳纖維強(qiáng)度降低的可能。王建［5］等通過對(duì)滌綸長(zhǎng)絲進(jìn)行加捻發(fā)現(xiàn)滌綸長(zhǎng)絲斷裂強(qiáng)力隨捻度的增加先增后減；朱進(jìn)忠［6］等分析玻璃纖維（GF）加捻后發(fā)現(xiàn)GF斷裂強(qiáng)力隨捻度的增加先升后降，并存在臨界捻度，且在臨界捻度上能最大程度提高GF斷裂強(qiáng)力；煙志恒［4］等探索了加捻對(duì)紗線力學(xué)性能的影響規(guī)律，也發(fā)現(xiàn)紗線捻度對(duì)紗線拉伸強(qiáng)度存在臨界值；關(guān)洪濤等［7］研究加捻對(duì)T800碳纖維拉伸性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：加捻后再浸膠的加捻方式不可避免地導(dǎo)致碳纖維拉伸性能的降低，且捻度越高，性能下降越多，但是采用浸膠后加捻的方式有助于改善T800碳纖維的拉伸性能，合適的捻度可使其拉伸強(qiáng)度提高5%，斷裂延伸率提高10%，通過對(duì)T800碳纖維干紗加捻的研究基本確定了T800碳纖維的臨界捻度為15 T/m。周濤［8-11］等研究表明碳纖維加捻可有效改善復(fù)合材料的性能。閆小兵等［12］進(jìn)行碳纖維長(zhǎng)絲束加捻研究，研究結(jié)果表明：當(dāng)單紗捻度在15~30 T/m存在某一最合適的捻度值，使得股線斷裂強(qiáng)力最大，且反向合股加捻可以提高碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率，單紗及股線捻度與股線的斷裂伸長(zhǎng)率呈正比。綜上所述，加捻對(duì)高性能碳纖維既有正面效應(yīng)，也有負(fù)面效應(yīng)，本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)CCF800H型碳纖維，研究加捻工藝對(duì)紗線及對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料性能影響研究，從而優(yōu)選適于提高復(fù)合材料性能的碳纖維加捻工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

碳纖維：CCF800H-12K，威海拓展；

浸膠紗：RIM036/RIMH039環(huán)氧樹脂制備的試驗(yàn)件，hexion公司。

1.2 設(shè)備與儀器

萬能試驗(yàn)機(jī)：Instron 5820，INSTRON公司。

1.3 加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)碳纖維加捻方式為股線捻，捻向采用Z-S，其中股線捻度設(shè)定為單紗捻度的1.414倍，加捻紗束單紗捻度值分別確定為10 T/m、15 T/m、30 T/m。采用浸膠紗拉伸試驗(yàn)分別測(cè)試加捻紗和非加捻紗的拉伸性能，試驗(yàn)方法按照ASTM D4018-17連續(xù)絲碳纖維和石墨纖維性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法執(zhí)行。通過拉伸試驗(yàn)獲得不同捻度的碳纖維紗束拉伸模量、強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能，以此優(yōu)選碳纖維紗線的加捻工藝。

1.4 加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

1.4.1 三維機(jī)織復(fù)合材料制備

根據(jù)浸膠紗拉伸試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選一種捻度碳纖維進(jìn)行三維機(jī)織預(yù)制體制備，組織結(jié)構(gòu)為三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)織造需求僅經(jīng)紗采用加捻碳纖維，緯紗仍為無捻碳纖維，同時(shí)為了對(duì)比加捻纖維復(fù)合材料和無捻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能差異，采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)制備經(jīng)緯紗均為無捻碳纖維的三維機(jī)織預(yù)制體，所采用的預(yù)制體工藝參數(shù)如表1所示。采用RTM復(fù)合成型技術(shù)進(jìn)行三維機(jī)織復(fù)合材料板塊制備，樹脂采用環(huán)氧樹脂CYCOM PR 520，根據(jù)試驗(yàn)件尺寸進(jìn)行復(fù)合材料切割，完成試驗(yàn)件制備。

圖1 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)示意圖

表1 編織工藝參數(shù)表

1.4.2 三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

針對(duì)加捻紗束制備的三維機(jī)織復(fù)合材料開展經(jīng)向拉伸、緯向拉伸和面內(nèi)剪切試驗(yàn)研究，得到加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)緯向拉伸模量、拉伸強(qiáng)度以及面內(nèi)剪切模量和強(qiáng)度，并根據(jù)面內(nèi)剪切G12和G21測(cè)試結(jié)果分析碳纖維加捻工藝是否對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能的對(duì)稱性產(chǎn)生影響，本節(jié)所涉及的試驗(yàn)類型及標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，本研究由于加捻紗線用于經(jīng)紗，因此在試驗(yàn)件策劃時(shí)以經(jīng)向性能為主，試驗(yàn)件數(shù)量偏多。

表2 加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)矩陣

2 結(jié)果與討論

2.1 加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試碳纖維拉伸性能前要對(duì)紗線進(jìn)行浸膠紗制樣，浸膠紗試樣見圖2。制成浸膠紗后上機(jī)進(jìn)行測(cè)試，每組測(cè)試7個(gè)試樣，選取6組有效數(shù)據(jù)，測(cè)試得到的浸膠紗拉伸性能結(jié)果如表3所示。

圖2 浸膠股線試樣

表3 加捻紗束碳纖維浸膠紗拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，合股加捻后碳纖維的拉伸性能均低于無捻紗線，加捻碳纖維隨著捻度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。其中單紗捻度15 T/m時(shí)，股線拉伸各項(xiàng)指標(biāo)均為最大值，強(qiáng)度為4 870 MPa，模量為278 GPa，伸長(zhǎng)率為1.62%。且由表4可知，單紗捻度15 T/m時(shí)，股線拉伸強(qiáng)度、模量、斷裂伸長(zhǎng)率的CV值均相對(duì)較低，可以說明該條件下的加捻股線一致性較高。將單紗捻度15 T/m性能與無捻復(fù)絲拉伸性能對(duì)比，得到如下數(shù)據(jù)，見表4。

表4 加捻股線與無捻復(fù)絲拉伸性能對(duì)比

由表4可知，單紗捻度15 T/m時(shí)，拉伸模量損失率1.4%，拉伸強(qiáng)度損失率8.3%，斷裂伸長(zhǎng)損失率6.4%。

2.2 加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)浸膠紗拉伸試驗(yàn)結(jié)果確定采用15 T/m的捻度來制作加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料，且僅經(jīng)向采用加捻紗束，緯向紗束不加捻。

2.2.1 拉伸試驗(yàn)

加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測(cè)試所采用的試驗(yàn)設(shè)置及破壞后的拉伸試驗(yàn)件如圖3所示。

圖3 拉伸試驗(yàn)設(shè)置及破壞后的拉伸試驗(yàn)件

加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)向和緯向的拉伸模量和斷裂強(qiáng)度分別如表5所示，經(jīng)紗采用單紗捻度15 T/m的加捻工藝后，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸模量為58.22 GPa，斷裂強(qiáng)度為555.58 MPa，相應(yīng)的緯向數(shù)據(jù)分別為86.77 GPa和953.25 MPa。特別說明由于試驗(yàn)件Twist-JT-01數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)置問題，沒能獲得有效應(yīng)以應(yīng)變曲線，因此無法獲得拉伸模量值，但斷裂強(qiáng)度可以根據(jù)斷裂載荷計(jì)算獲得。

表5 加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2.2 面內(nèi)剪切試驗(yàn)

圖4為加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能測(cè)試所采用的試驗(yàn)件和設(shè)置。面內(nèi)剪切力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表6，由表中可以看出，面內(nèi)剪切試驗(yàn)件的剪切模量和剪切強(qiáng)度均表現(xiàn)出了較小的非對(duì)稱線性，在考慮試驗(yàn)離散性的情況下，可以認(rèn)為加捻紗束沒有對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能的對(duì)稱性產(chǎn)生影響。

圖4 面內(nèi)剪切試驗(yàn)設(shè)置及試驗(yàn)件

表6 加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 加捻紗束和無捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比

采用相同的試驗(yàn)方案進(jìn)行相同編織結(jié)構(gòu)和相同編織工藝參數(shù)的無捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)緯向拉伸試驗(yàn)和面內(nèi)剪切試驗(yàn)，其中與加捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)緯向拉伸試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表7所示。經(jīng)過對(duì)比分析可以看出經(jīng)紗采用加捻紗線之后，經(jīng)向的拉伸模量和斷裂強(qiáng)度均較無捻紗束復(fù)合材料的相同力學(xué)性能有所降低，其中經(jīng)向拉伸模量降低較少，僅減小了6.62%，但是經(jīng)向斷裂強(qiáng)度降幅較大，達(dá)到了21.98%；而相應(yīng)的緯向力學(xué)性能卻均有所提高，其中緯向拉伸模量增加了2.95%，而緯向斷裂強(qiáng)度增加了約14.26%。

表7 加捻紗束和無捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能對(duì)比

加捻紗束和無捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切力學(xué)性能對(duì)比如表8所示，表中數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)紗加捻前，面內(nèi)剪切具有非常好的對(duì)稱性，剪切模量?jī)H有0.01 GPa的差異，剪切強(qiáng)度的差異也僅有0.93 MPa；經(jīng)紗加捻后，面內(nèi)剪切性能的對(duì)稱性較無捻紗束有一定降低，剪切模量的差異達(dá)到了0.34 GPa，剪切強(qiáng)度的差異較小。另外，不論從剪切模量、剪切強(qiáng)度或者是試驗(yàn)測(cè)試的離散系數(shù)等數(shù)據(jù)分析，經(jīng)向加捻紗束對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的面內(nèi)剪切性能產(chǎn)生的影響較小，剪切模量幾乎沒有變化，剪切強(qiáng)度僅增加了約2.74%。

表8 加捻紗束和無捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切力學(xué)性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)加捻工藝對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，開展了加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能試驗(yàn)研究，優(yōu)化加捻工藝以減少加捻對(duì)于紗束力學(xué)性能的影響。采用優(yōu)化后的加捻工藝制備三維機(jī)織復(fù)合材料，對(duì)比加捻紗束與無捻紗束三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能，得出如下結(jié)論：

（1）加捻碳纖維股線拉伸性能隨著捻度增加整體先增后減，存在臨界值。

（2）采用股線Z-S捻向、單紗捻度為15 T/m，股線與單紗保持相同捻回角時(shí)，股線的拉伸性能最優(yōu)，且各性能指標(biāo)離散系數(shù)均最低。

（3）經(jīng)紗采用單紗捻度為15 T/m加捻紗線之后，經(jīng)向的拉伸模量和斷裂強(qiáng)度均較無捻紗束復(fù)合材料的相同力學(xué)性能有所降低，其中經(jīng)向拉伸模量降低較少，僅減小了6.62%，但是經(jīng)向斷裂強(qiáng)度降幅較大，達(dá)到了21.98%；而相應(yīng)的緯向力學(xué)性能卻均有所升高，其中緯向拉伸模量增加了2.95%，而緯向斷裂強(qiáng)度增加了14.26%。

（4）經(jīng)向紗束加捻對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的面內(nèi)剪切性能產(chǎn)生較小的影響。

通過以上試驗(yàn)研究，可以看出碳纖維紗束加捻后主要影響紗線的拉伸性能和三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向拉伸性能，對(duì)于復(fù)合材料的剪切性能影響較小。