納米改性不同結(jié)構(gòu)碳纖維及其力學(xué)性能研究

范文州，吳 薇，盛宏航

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

根據(jù)織造方式的不同，碳纖維材料有機(jī)織、針織、編織以及碳纖維預(yù)浸布等形式[1]。其中，機(jī)織平紋結(jié)構(gòu)織物由于經(jīng)緯交織，織物堅(jiān)牢硬挺，彈性較小，密度較低較為輕薄，布面均勻且正反面相同[2]。平紋復(fù)合材料板材在使用過(guò)程中主要失效形式為界面分層及基體碎裂等[3]?；祀s平紋機(jī)織玻璃/碳環(huán)氧疊層復(fù)合材料雙懸臂梁在Ⅰ型加載下，裂紋通過(guò)富樹(shù)脂層的擴(kuò)展比裂紋通過(guò)富樹(shù)脂口袋的擴(kuò)展產(chǎn)生更粗糙的斷口，從而導(dǎo)致更高的能量耗散[4]。為進(jìn)一步表征機(jī)織平紋結(jié)構(gòu)織物典型半球預(yù)成形滑動(dòng)剪切行為進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著凹模拐角半徑和凸模與凹模間隙的減小，滑模比大于1.0，說(shuō)明紗線的滑模比增大[5]。在液體復(fù)合材料成型(LCM)中，通過(guò)高度雙曲的凸模幾何形狀可以形成織物，在成形過(guò)程中可能出現(xiàn)不同形式的弊疵，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能減低[6]。機(jī)織平紋結(jié)構(gòu)織物在曲面復(fù)合材料上使用更是存在著貼敷性較差，容易滑移的現(xiàn)象。針織雙軸向碳纖維織物具有獨(dú)特的編織結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮組份強(qiáng)度，且各個(gè)方向都具有良好的拉伸、彎曲、剪切及耐沖擊性能[7-9]。膜材正常使用過(guò)程中經(jīng)常受到各個(gè)方向的載荷作用，制備多軸向經(jīng)編聚酯織物為增強(qiáng)體的流延涂層聚氨酯或聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料，并研究其各向增強(qiáng)的力學(xué)特點(diǎn)具有重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義[10-12]。對(duì)多軸向經(jīng)編織物復(fù)合材料的拉伸和彎曲行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究表明，四軸和雙軸(±45°)試樣表現(xiàn)為準(zhǔn)各向同性行為，其他層合板表現(xiàn)為各向異性行為[13]。機(jī)織平紋結(jié)構(gòu)織物相比針織雙軸向碳纖維織物的紗線強(qiáng)度利用率低，針織雙軸向碳纖維織物具有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，所以在力學(xué)性能上有更多的優(yōu)勢(shì)[14]。根據(jù)以上研究，本文通過(guò)納米改性?xún)?yōu)化平紋碳纖維織物與雙軸向經(jīng)編碳纖維織物的力學(xué)性能，以期為碳纖維的廣泛應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 增強(qiáng)體材料

如圖1所示，為兩種不同結(jié)構(gòu)的碳纖維織物，其部分參數(shù)如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)織物部分參數(shù)

(a)平紋碳纖維織物

1.2 基體材料

本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑(NO.1-692-2/A，NO.1-692-2/B)是雙組分耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠。使用時(shí)的混合比例為A100:B30，混合時(shí)要充分的攪拌均勻。

1.3 納米材料

ClearstrengthXT100是一種甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)核殼增韌劑。成本低廉，易于分散在大多數(shù)液體熱固性樹(shù)脂，剪切速率極低，粘度較低，增韌效果優(yōu)異且具有優(yōu)越的機(jī)械性能。

1.4 工藝流程

實(shí)驗(yàn)采用的是真空輔助成型工藝(VARTM)制備碳纖維復(fù)合材料層合板，數(shù)控切割標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，流程如圖2所示。

圖2 真空輔助成型工藝流程

1.5 試樣制備

1.5.1 拉伸試樣制備

依據(jù)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)辦法》標(biāo)準(zhǔn)切割復(fù)合材料試樣。標(biāo)準(zhǔn)尺寸如圖3，表2所示。

圖3 拉伸試驗(yàn)試樣圖

表2 拉伸試樣尺寸

1.5.2 彎曲試樣制備

依據(jù)GB/T 1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)辦法》標(biāo)準(zhǔn)，切割彎曲試樣如圖4，標(biāo)準(zhǔn)尺寸如表3所示。

圖4 彎曲試樣圖

表3 彎曲試樣尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 增韌劑用量

表4為試驗(yàn)選取梯度質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及各自梯度值所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力值為參考對(duì)象。在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Clearstrength XT100下測(cè)試碳纖維織物的拉伸彎曲力學(xué)性能并以拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲為試驗(yàn)對(duì)象，圖5采用曲線非線性擬合并確定最佳Clearstrength XT100質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.86%。

表4 不同Clearstrength XT100質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均拉伸強(qiáng)度

(a)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變擬合函數(shù)

納米改性試劑Clearstrength XT100按最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.86%直接添加到環(huán)氧樹(shù)脂體系中，攪拌均勻使用。Clearstrength XT100是一種甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)核殼添加劑粉末，一種非反應(yīng)性增韌劑，容易分散到環(huán)氧樹(shù)脂體系里并保持高分散率。在熱固性系統(tǒng)中提供優(yōu)異的增韌和機(jī)械性能，能夠最大程度上提高樹(shù)脂基體中的增韌劑負(fù)載水平，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系的粘度影響有限并保持較短的分散時(shí)間。

2.2 試驗(yàn)及分析

2.2.1 拉伸試驗(yàn)及分析

為檢測(cè)試樣的拉伸強(qiáng)度，利用島津AGS-X萬(wàn)能測(cè)試機(jī)(蘇州小田元儀器設(shè)備有限公司)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將向上拉伸夾頭的加載速度設(shè)置為2mm/min，同時(shí)將要使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型勾選，在實(shí)驗(yàn)完成時(shí)在電腦上保存該數(shù)據(jù)備用，選取五組有效數(shù)據(jù)均值如表5所示。不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后拉伸強(qiáng)度如圖6所示。

表5 不同的結(jié)構(gòu)碳纖維織物的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖6 不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后的拉伸強(qiáng)度

由圖6可知，針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系，以最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.86%的Clearstrength XT100進(jìn)行納米改性，對(duì)比未改性(含量0%XT100)之前，改性后(含量2.86%XT100)平紋碳纖維織物拉伸強(qiáng)度提高18.7%；雙軸向0°方向碳纖維織物拉伸強(qiáng)度提高12.0%；雙軸向90°方向碳纖維織物拉伸強(qiáng)度提高12.7%。在相同測(cè)試條件下，雙軸向不同方向的拉伸強(qiáng)度均高于平紋碳纖維織物的拉伸強(qiáng)度。改性后，平紋的拉伸強(qiáng)度改性效果優(yōu)于雙軸向，但強(qiáng)度仍略低于雙軸向碳纖維織物。不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖7所示。

圖7 不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖7可知，改性前后，不同結(jié)構(gòu)的碳纖維織物拉伸強(qiáng)度在達(dá)到比例極限之前均呈現(xiàn)線性指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，即隨著應(yīng)力不斷增加，應(yīng)力由基體傳遞至增強(qiáng)體承載表現(xiàn)出較好的整體性。由曲線的傾斜程度可知，對(duì)于雙軸向碳纖維織物，改性后彈性模量增大，納米顆粒在基體以及增強(qiáng)體之間起到了較好的鏈拉作用，提高了織物面內(nèi)以及層間的一體性。而平紋碳纖維織物彈性模量均高于改性前后的雙軸向織物，這是由于是平紋碳纖維織物經(jīng)緯紗線按規(guī)則交織，交織點(diǎn)多，從而使該復(fù)合材料的織物堅(jiān)牢、硬挺、剛性強(qiáng)大。在改性前后，雙軸向織物的拉伸強(qiáng)度均優(yōu)于平紋碳纖維織物，同時(shí)雙軸向織物在拉伸試驗(yàn)中也表現(xiàn)較好的變形能力，是由雙軸向碳纖維軸向紗線沿著設(shè)計(jì)角度的平行拉伸排列，從而產(chǎn)生了無(wú)挫曲紗層，并利用經(jīng)編組織結(jié)構(gòu)(經(jīng)平或編鏈)沿厚度的走向，把紗層纏繞在一起構(gòu)成整體布料結(jié)構(gòu)，減少了因平紋結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的紗線相互交結(jié)、扭曲而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力集中現(xiàn)象，使紗線的綜合力學(xué)性能得以較完全地實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 彎曲試驗(yàn)及分析

采用三點(diǎn)彎曲檢測(cè)試樣的彎曲強(qiáng)度，下壓速度規(guī)定2mm/min，選取五組有效數(shù)據(jù)均值如表6所示。不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后彎曲強(qiáng)度如圖8所示。

表6 不同的結(jié)構(gòu)碳纖維織物的彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖8 不同的碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后彎曲強(qiáng)度

由圖8可知，相對(duì)于復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度，經(jīng)Clearstrength XT100納米改性后的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度改善效果十分明顯。對(duì)比于未改性(含量0%XT100)之前，改性后(含量2.86%XT100)平紋碳纖維織物彎曲強(qiáng)度提高62.0%；雙軸向0°方向碳纖維織物彎曲強(qiáng)度提高25.3%；雙軸向90°方向碳纖維織物拉伸強(qiáng)度提高22.2%。改性后的平紋碳纖維織物彎曲強(qiáng)度仍低于雙軸向織物，主要原因仍在于平紋結(jié)構(gòu)中纖維束交織纏結(jié)未能充分發(fā)揮組份強(qiáng)度，而導(dǎo)致承受彎曲應(yīng)力降低。不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后彎曲應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖如圖9所示。

圖9 不同碳纖維結(jié)構(gòu)織物改性前后彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖9可知，在初始彈性階段，不同結(jié)構(gòu)的碳纖維織物彎曲試樣的彎曲應(yīng)力隨應(yīng)變變化趨勢(shì)呈線性增長(zhǎng)，彎曲應(yīng)力由基體和增強(qiáng)體共同承載，超過(guò)彈性階段，納米改性的試件最大彎曲強(qiáng)度高于改性前的試樣。對(duì)于平紋結(jié)構(gòu)織物，彎曲應(yīng)力超過(guò)屈服階段后，應(yīng)力即開(kāi)始下降，試樣表面樹(shù)脂產(chǎn)生碎裂損傷同時(shí)向內(nèi)層傳遞紗線開(kāi)始斷裂失效，織物損傷失效，應(yīng)力減小。對(duì)于以雙軸向?yàn)樵鰪?qiáng)體的多層織物，隨著彎曲應(yīng)力超過(guò)屈服階段，織物上下表面基體產(chǎn)生裂紋損傷并向纖維束內(nèi)部傳遞載荷，由于纖維束平行順直排列具有一定的延伸性并能夠保證組分充分吸收載荷，增強(qiáng)體部分承受應(yīng)力增強(qiáng)，彎曲應(yīng)力曲線繼續(xù)增長(zhǎng)，直到達(dá)到彎取最大強(qiáng)度，纖維束斷裂，應(yīng)力瞬時(shí)減小。

2.3 損傷形貌分析

圖10為拉伸損傷試樣的掃描電鏡微觀形貌觀察，沒(méi)有改性前，雙軸向碳纖維復(fù)合材料如圖10(a)，圖10(c)所示，不管是在0°方向還是90°方向均存在著樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維脫粘、失效過(guò)程中出現(xiàn)纖維束不均勻抽拔、基體表面有不同程度的裂紋擴(kuò)散、斷裂截面分布較多孔隙、斷口呈鋸齒狀等現(xiàn)象。平紋碳纖維如圖10(e)所示，纖維束表面樹(shù)脂含量較少且分布不均勻，基體與增強(qiáng)體結(jié)合較為疏松，纖維抱合度不高。以上原因綜合作用導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料一體性較差，容易出現(xiàn)局部失效而影響復(fù)合材料整體性能。經(jīng)Clearstrength XT100改性后同種織物同一方向，如圖10(b)，圖10(d)所示，雙軸向碳纖維織物纖維束表面樹(shù)脂與納米顆粒分布細(xì)膩均散，同時(shí)與增強(qiáng)體表面接觸結(jié)合點(diǎn)更多，再加上纖維束本身平行順直排列使得纖維之間纏抱程度更高，較多的纖維聚集在一起，從而增強(qiáng)了樹(shù)脂與碳纖維的層面結(jié)合力，使得基體參與分擔(dān)的載荷更多，整體力學(xué)性能提高。平紋碳纖維如圖10(f)所示，除交織點(diǎn)外的區(qū)域，納米顆粒加入將基體與增強(qiáng)體鏈拉成更大形狀的柱狀整體結(jié)構(gòu)，能夠較好的承受載荷，但因?yàn)榻豢楛c(diǎn)附近，一方面纖維束結(jié)點(diǎn)接觸緊實(shí)，浸潤(rùn)較少，另一方面纖維束本身有一定屈曲，纖維束力學(xué)性能未能充分發(fā)揮，導(dǎo)致整體力學(xué)性能低于平紋碳纖維結(jié)構(gòu)織物。

(a)雙軸向0°(b)雙軸向0°添加(c)雙軸向90°(d)雙軸向90°添加(e)平紋(f)平紋添加

3 結(jié)論

(1)復(fù)合材料板材力學(xué)性能測(cè)試中，雙軸向經(jīng)編織物比平紋織物具有更高的拉伸和彎曲強(qiáng)度，在于平紋結(jié)構(gòu)經(jīng)紗和緯紗交織纖維束屈曲不能完全發(fā)揮其力學(xué)性能而雙軸向織物的纖維束平行順直排列，無(wú)屈曲紗層，并利用經(jīng)編組織結(jié)構(gòu)形成整體共同分擔(dān)承載應(yīng)力。

(2)Clearstrength XT100納米改性對(duì)于兩種不同結(jié)構(gòu)的碳纖維織物均具有促進(jìn)作用，但平紋結(jié)構(gòu)織物優(yōu)化效果更好，除纖維束本身影響，平紋織物層內(nèi)間隙較多有利于基體更好浸潤(rùn)。

(3)平紋結(jié)構(gòu)的碳纖維織物在工藝成形時(shí)存在貼敷性能較差，但雙軸向織物的束縛系統(tǒng)對(duì)纖維束的約束力較好，使其具備了優(yōu)異的鋪覆預(yù)成形性能再加上其優(yōu)異的樹(shù)脂工藝導(dǎo)流性能和浸潤(rùn)性能，成形特性良好，適合于生產(chǎn)超薄、超厚的平面及曲面復(fù)合材料。