纖維混雜增強復合材料的制備及其抗沖擊性能研究

孔春鳳，田 偉,b，劉雙雙，翁浦瑩，陷 鵬，祝成炎,b

(浙江理工大學,a.現代紡織加工技術國家工程技術研究中心；b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州 310018)

纖維混雜增強復合材料的制備及其抗沖擊性能研究

孔春鳳a，田 偉a,b，劉雙雙a，翁浦瑩a，陷 鵬a，祝成炎a,b

(浙江理工大學,a.現代紡織加工技術國家工程技術研究中心；b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州 310018)

采用玄武巖纖維、玻璃纖維和丙綸長絲為原料，討論了玄武巖/丙綸包纏復合線和玻璃纖維/丙綸包纏復合紗線的制備，以及由復合線制成的不同纖維混雜比例和不同組織結構的預制件經熱壓成型的纖維混雜復合材料的制備，并測試了纖維混雜復合材料的抗沖擊性能。試驗結果表明：隨著丙綸體積分數的增加，復合材料的抗沖擊性能呈現出先增強后減弱的趨勢，其中當丙綸體積分數為59%時，復合材料的抗沖擊性能最好；平紋、3D正交結構、3D準正交以及3D角聯鎖結構的復合材料中，平紋預制件的復合材料的抗沖擊性能相對較好。合適的纖維混雜比例和組織結構能很大程度地提高復合材料的抗沖擊性。

丙綸長絲；復合線；模壓成型；復合材料；抗沖擊性能

纖維混雜復合材料是由兩種或兩種以上纖維作為增強體的復合材料，從20世紀70年代以來就得到了廣泛的研究與應用[1]。纖維混雜復合材料不僅保留了單一纖維復合材料的優點，進行合理混雜后，纖維之間相互取長補短，匹配協調，更具有了一般紡織復合材料不具備的優異特性[2]。在最近幾十年的研究中，纖維混雜復合材料因本身諸多優點而得到越來越多的關注和研究突破[3]。而在本文所研究的玄武巖纖維復合材料中，玄武巖纖維為主要承力組分，它除了減少整體收縮、提高材料的力學強度和彈性模量的作用外，還可提高材料的熱變形溫度和抗沖擊強度，尤其是材料的拉伸強度和抗沖擊性能的提高更為明顯[4]。

纖維混雜增強復合材料向著多元化和功能化發展[1]。因此對纖維混雜增強復合材料的研究也越來越多，而通過對改變纖維混雜的比例和改變組織結構的復合材料研究還有待進一步深入，本文為了探究這些條件對纖維混雜復合材料的抗沖擊性能的影響，制定了相關實驗，研究了以熱熔性纖維丙綸長絲為基體、玄武巖纖維/玻璃纖維為增強纖維的復合材料的彈道沖擊性能，并對實驗結果進行了對比分析，制備出合適的玄武巖纖維/丙綸混雜比例和復合材料的組織結構且成型優良、抗沖擊性能良好的復合材料，具有一定的實際和應用價值。通過本研究可以得到一種增強纖維與基體丙綸纖維混雜的新方式，抗沖擊性能優良、加工工藝簡單的復合材料，為丙綸基纖維混雜復合材料的發展提供了理論和技術參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料：玄武巖纖維(浙江石金玄武巖有限公司)，玻璃纖維(杭州泰克斯復合材料有限公司)，丙綸長絲(紹興超特合纖有限公司)。原料性能指標如表1所示。

表1 不同纖維原料規格

注：其中玻璃纖維640tex以9股計。

1.2 復合線的制備

本文中復合線的制備是在HKV-101型自動絡筒機和HKV151B型花式捻線機上完成。先用玄武巖/玻璃纖維與丙綸長絲并合，然后再用丙綸長絲包纏并合線[5]。其中玄武巖/丙綸復合線是先用594、693、759、792、858tex的玄武巖與100tex的丙綸并合，然后再用100tex的丙綸長絲包纏并合線，形成玄武巖丙綸包纏復合線；玻璃纖維/丙綸復合線是先用640tex的玻璃纖維與100tex的丙綸并合，然后再用100tex的丙綸長絲包纏并合線，形成玻璃纖維丙綸包纏復合線。

1.3 預制件結構設計

預制件在半自動劍桿織機ASL2000-20-E上織造完成[6]。設置了兩組實驗，一組是針對玄武巖/丙綸混雜纖維的不同復合比例而設計了5種試樣，其中玄武巖/丙綸混雜纖維的5種平紋試樣經紗是采用693tex玄武巖/200tex丙綸包纏復合線；緯紗是采用丙綸體積分數分別是46%、53%、59%、64%、70%的玄武巖/丙綸包纏紗。另一組是對于預制件的不同組織結構設計了5種試樣，這5種試樣的組織結構分別是平紋組織、平紋組織、3D正交3層、3D準正交3層、3D角聯鎖3層。

1.4 復合材料的制備

熱熔性纖維和增強纖維混雜紗線研制而成的機織物，只需進行熱壓處理即可成型，玄武巖/玻璃纖維增強丙綸復合材料的熱壓成型工藝過程：開始→升溫→保溫→降溫→結束[7]。本文中玄武巖/玻璃纖維增強丙綸機織物是在XLB25-L平板硫化機上進行熱壓成型。熱壓模具是自制的，根據實驗需要設計的，模具形狀為正方形，由上模和下模組成。模壓參數：溫度220℃，時間60min，壓力5MPa。復合材料制備流程見圖1。

圖1 復合材料的制備流程

1.5 纖維混雜復合材料抗沖擊性能測試

復合材料的抗沖擊測試以氮氣為動力，在彈道侵徹裝置上完成。將復合材料裁剪成175mm×175mm，測出子彈在通過復合材料前和通過復合材料后的速度。然后計算出復合材料吸收子彈的動能，換算出復合材料單位面密度吸收能量，進而得出復合材料的抗沖擊性能[8]。

2 結果與討論

2.1 復合線的外觀和性能

復合線外觀如圖2所示。

圖2 復合線的外觀

由圖2可以看到玄武巖/丙綸包纏紗、玻璃纖維/丙綸包纏紗的包覆效果都很好。在玄武巖/丙綸包纏紗中，玄武巖纖維耐磨性差，紗線表面不光滑易產生毛羽，而丙綸長絲的耐磨性好、表面光滑[5]。從而使玄武巖/丙綸包纏紗手感滑爽，包纏紗表面相對光滑，不容易起球，這就大大減少了玄武巖/丙綸包纏紗在后續織造過程中由于摩擦而引起的紗線斷頭。在玻璃纖維/丙綸的包纏紗中，玻璃纖維的耐磨性差，而丙綸纖維的耐磨性很好，所以包纏紗也能很好地解決預制件織造時因摩擦而紗線斷裂的問題。玻璃纖維/丙綸的包纏紗中玻璃纖維的拉伸強度明顯強于丙綸纖維，使包纏復合線強度和韌性大大提高，為以后復合材料的抗沖擊性能的提高奠定了基礎。

2.2 復合材料的形貌

復合材料的形貌如圖3所示。由圖3可以看出，玻璃纖維/丙綸、玄武巖/丙綸包纏復合線制成的復合材料，丙綸融化后可以很好地將玄武巖纖維和玻璃纖維融合在一起，形成了結構致密、外觀良好復合材料。

圖3 復合材料的形貌

2.3 不同比例纖維混雜的復合材料的抗沖擊性能

抗沖擊性能測試是將制成一定尺寸的防彈板，在特定的環境條件下，模擬戰場中的實際情況，測試彈體以某一速度擊穿靶板時，靶板所吸收彈體沖擊能量的多少，可以最直接、最有效地描述靶板防彈性能的好壞[9]。對于693tex玄武巖/200tex丙綸包纏復合線作為經紗，不同混雜比例的玄武巖/丙綸纖維包纏復合線作緯紗制成的復合材料，經過彈道沖擊實驗后全部打穿。可以測出子彈通過復合材料前的初速度(V0)以及穿透復合材料后的末速度(V1)。利用以下公式計算復合材料的單位面密度能量吸收BPI[9]。

a) 總能量吸收ΔEk

(1)

式中：ΔEk為試樣吸收能量即子彈動能損失量(J)；mp為子彈質量(kg)；V0為子彈的入射速度(m/s)；V1為子彈穿靶后的剩余速度(m/s)。

b) 復合材料單位面密度能量吸收(BPI)

Im=ΔEk/ρ

(2)

式中：ρ為靶板面密度(kg/m2)；Im為復合材料單位面密度吸收能量。

不同比例纖維混雜的混合材料的抗沖擊吸能曲線如圖4所示。

圖4 Im隨丙綸體積分數的變化曲線

從Im隨丙綸的體積分數增加的變化曲線中，可以看出：玄武巖/丙綸復合材料的Im隨丙綸體積分數的增加呈現出階段式的變化，當丙綸的體積分數小于59%時，Im隨丙綸體積分數的增大而增大，說明復合材料的抗沖擊性能呈現增強的趨勢；當丙綸的體積分數大于59%時，復合材料的Im隨丙綸體積分數的增大而減小，則說明復合材料的抗沖擊性能呈現出減弱的趨勢；當丙綸的體積分數為59%時，試樣的Im達到最大值，抗沖擊性能最強。

通過對復合材料和彈道實驗過程分析可知，在玄武巖/丙綸的復合材料中，當丙綸的體積分數小于59%時，隨著丙綸體積分數的增加，熔融的丙綸也會增多，玄武巖纖維將會越來越好地被丙綸包覆，從而使復合材料的力學性能和抗沖擊性能提高。所以玄武巖/丙綸復合材料中丙綸所占體積分數在46%～59%的這個區間內，呈現出Im隨丙綸體積分數增加而增加的趨勢，復合材料的強度和韌性也隨之增加，當子彈撞擊復合材料靶板時，需要消耗更大的動能，才可以將增強纖維的復合材料結構擊穿破壞。而當玄武巖/丙綸復合材料中玄武巖纖維的體積分數超過59%時，隨著丙綸的體積分數增加，增強纖維玄武巖的體積分數不斷減小，復合材料的強度和韌性將會隨著增強纖維玄武巖的體積分數的降低而減弱，所以玄武巖纖維所占比例在59%～70%的區間內，復合材料的抗沖擊性能呈現出減弱的趨勢。

2.4 不同組織結構的復合材料的抗沖擊性能

對不同組織結構的復合材料進行了彈道測試，其結果是復合材料均被子彈打穿，但是打穿后子彈的末速度的差別卻很大。計算出不同組織結構復合材料的Im值。不同組織結構的復合材料抗沖擊吸能曲線如圖5所示。

圖5 不同組織結構預制件的BPI關系

由圖5可以看出：平紋組織的Im最高，超過80J·m2/kg，其抗沖擊性能最好；三維正交和三維準正交結構的Im相近，都在72J·m2/kg左右，說明這兩種結構的抗沖擊性能適中，三維準正交結構略好于三維正交結構；然而，三維角聯鎖的Im最小，只有56J·m2/kg。

對復合材料結構進行分析可知：平紋組織的復合材料較三維組織而言，平紋組織在結構上只有一層，熔融的丙綸可以更好地將增強纖維包覆起來，對增強纖維有很好的握持能力，這就避免了三維組織結構可能出現的因內部丙綸含量較少致使復合材料結構疏松，其力學強度較小、受沖擊時易分離等缺點。并且通過對不同結構的復合材料的面密度計算可以發現，平紋組織的復合材料面密度較三維組織更小，計算得出平紋的Im值更高，因而平紋組織的復合材料具有更好的抗沖擊性能。

三維正交結構和準正交結構相似，三個方向的紗線以正交狀態配置，紗線在理想狀態下呈伸直狀態，從而紗線的本身強力得到很好的保留，但由于熔融后的丙綸不易滲入組織結構的層間，因而熔融的丙綸對3D正交和3D準正交結構內部的玄武巖不能很好的包覆，而3D正交和3D準正交相對于平紋組織，又具有較大的面密度，所以其復合材料的Im小于平紋組織。另外，3D準正交結構相比于3D正交結構，其交織結構更為復雜，紗線平行度下降，織物內部存在更多的空隙，丙綸有較多的滲入空間，所以其抗沖擊性能稍高于正交組織結構。理論上，由于3D角聯鎖組織中紗線的屈曲程度較正交組織結構更大，更利于熔融的丙綸滲入其內部結構，增加其力學強度[10]。但在本試驗中，由于3D角聯鎖預制件的厚度較大，會導致復合材料中丙綸不能很好地包覆增強纖維玄武巖，并且子彈在穿越過程中會受到更多的摩擦，因而消耗了更多的動能，而3D角聯鎖復合材料本身面密度又較大，所以致使其Im值反而較低。

3 結 論

本文通過對玄武巖纖維/丙綸長絲、玻璃纖維/丙綸長絲纖維包纏混雜、復合材料熱壓成型工藝以及復合材料抗沖擊性能的探究，得出以下結論：

a) 纖維混雜比例和預制件的組織結構對纖維混雜復合材料的抗沖擊性能有重要的影響。

b) 在玄武巖/丙綸制成的平紋組織復合材料中，隨著丙綸體積分數的增加復合材料的抗沖擊性能呈現出先增強后減弱的趨勢，當丙綸的體積分數為59%時，復合材料的抗沖擊性能最好。

c) 在經紗為玄武巖纖維/丙綸長絲、緯紗為玻璃纖維/丙綸長絲制成的不同組織結構的復合材料中，平紋組織的復合材料抗沖擊性能最好，三維準正交結構的復合材料的抗沖擊性能略好于三維正交結構的復合材料，而三維角聯鎖的抗沖擊性能最低。

[1] 嚴文聰,曾金芳,王斌.纖維混雜復合材料研究進展[J].化工新型材料,2011,39(6):30-33.

[2] 雷憶三,陳 佳,張瑞剛,等.3D纖維增強復合材料的結構對力學性能的影響[J].材料開發與應用,2012,27(5):37-41.

[3] 徐 波,宋煥成.混雜復合材料的混雜效應[J].復合材料學報,1988,5(1)；67-73

[4] 郭宗福,鐘智麗.玄武巖纖維/聚丙烯熱塑板拉伸性能的研究[J].玻璃纖維,2012(2):34-38.

[5] 崔 寧,鐘智麗,郭 歡,等.丙綸/玄武巖包纏紗的研制[J].產業用紡織品,2009(10):18-20.

[6] 李 靜,楊彩云.2.5D芳綸機織物的結構設計與織造[J].產業用紡織品,2013,31(6):5-8.

[7] 田 偉,祝成炎.玻璃纖維/丙綸混雜3D機織物及其復合材料的研制[J].產業用紡織品,2004,22(12):6-9.

[8] Cantwell W J, Morton J. The impact resistance of composite materials：a review[J]. Composites,1991,22(5):347-362.

[9] 柴曉明.樹脂基厚向混雜防彈復合材料的制備及侵徹機理研究[D].杭州：浙江理工大學,2014.

[10] 張 強,金利民,張 巖,等.三維角聯鎖機織復合材料低速沖擊破壞的有限元計算[J].纖維復合材料,2012(3):12-16.

(責任編輯：許惠兒)

Preparation of Hybrid Fiber Reinforced Composites and Study on Its Impact Resistance Property

KONGChunfenga,TIANWeia,b,LIUShuangshuanga,WENGPuyinga,XIANPenga,ZHUChengyana,b

(a.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education; b.Modern Textile Processing Technology National Engineering Research Center, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The basalt fiber, glass fiber and polypropylene filament yarn were used as raw materials. The preparation of basalt/polypropylene filament wrapped composite yarn and glass fiber /polypropylene filament wrapped composite yarn as well as preparation of hybrid fiber composites made through hot press modeling with preformed parts with different fiber hybrid proportions and different organization structures were discussed. in addition, the impact resistance property of hybrid fiber composite was tested. The experimental result shows that the impact property of the composite materials first increases and then decreases as the rise in volume fraction of polypropylene fiber; when volume fraction of polypropylene fiber is 59%, the impact property of the composite materials is the best; among the composites of plain weave, 3D orthogonal structure, 3D quasi-orthogonal and 3D angle interlock structure, the impact property of plain weave preformed composite is relatively good. Appropriate fiber hybrid proportion and organization structure can to a large extent improve impact resistance property of composites.

polypropylene filament yarn; composite yarn; compression molding; composite materials; impact resistance property

2014-11-20

浙江省國際科技合作專項(合作研究)項目(2012C24013)；紡織科學與工程重中之重一級學科2014年學生科研創新計劃項目(11110231271302)

孔春鳳(1990—)，女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事現代紡織技術與新產品方面的研究。

田 偉，Email:tianwei_zstu@126.com

TS101.923;V258.5

A

1009-265X(2015)04-0020-04