預制體表面處理對復合材料低速沖擊后剩余強度的影響

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(1.生態紡織教育部重點實驗室，江南大學紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122； 2.南通大學，紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019； 3.鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 224005)

1 前 言

三維淺交彎聯機織復合材料是以三維淺交彎聯機織物作為預制體，環氧樹脂及固化劑作為樹脂基體的新型三維機織復合材料[1-2]。玻璃纖維是一種耐高溫、阻燃、抗腐蝕、機械強度高的無機非金屬材料，在復合材料方面應用廣泛。但由于玻璃纖維表面光滑、幾乎沒有活性基團的存在，在作為樹脂基復合材料增強體應用時，與樹脂基體間的界面性能無法充分發揮，進而影響復合材料承載時的整體性及力學性能[3-7]。硅烷偶聯劑是一種常見的表面活性劑，其分子中同時擁有可與無機質材料反應的非水解基團和與有機質化學結合的水解基團，硅烷偶聯劑可以改善玻璃纖維與環氧樹脂間的界面性能[8-10]。

纖維增強復合材料在交通工具應用中常會受到碎石、冰雹及物體墜落造成的低速沖擊損傷，這些低速沖擊會造成復合材料內部結構損傷，降低復合材料的力學性能，進而降低復合材料在應用時的耐久性[11-13]。因此低速沖擊后復合材料剩余力學性能被更多的學者關注[14-15]。

本文以30wt%的硅烷偶聯劑水溶液作為表面活性劑，在60℃的溫度下，以浸漬的方式對玻璃纖維預制體進行處理，并分別使用表面處理前后的預制體制備復合材料，分析不同能量低速沖擊后復合材料的剩余力學性能。并通過觀察沖擊造成的凹坑的微觀形貌，分析表面處理對復合材料界面性能的影響。

2 機織物制備

2.1 預制體結構設計

根據實驗條件，本研究設計了三層三維淺交彎聯結構。該結構一個組織循環內經紗根數為4，緯紗根數為6。圖1為結構示意圖，圖2為紋板圖。

圖1 三層三維淺交彎聯機織物結構示意圖Fig.1 Structure schematic of six-layer 3D curved shallow-crossing linking fabric

圖2 三層三維淺交彎聯機織物紋板圖Fig.2 Pegging plan of six-layer curved shallow-crossing linking fabric

2.2 預制體的制備

根據三維淺交彎聯機織物紋版圖，在經過改造的SGA598型三維劍桿織樣機上進行制造；預制體經緯紗線均使用2400tex無捻玻璃纖維粗紗；由于經緯紗線的細度較大，本實驗使用筒子架形式送經，每個筒子的整經方式為“8”字型以保證經紗張力一致；以順穿法進行傳綜；鋼筘筘號選用30#，以一筘一傳的形式防止經紗在制造過程中產生過多的摩擦。織造工藝及制備出的預制體結構參數如表1所示。

表1 三維淺交彎聯機織物的結構參數

2.3 預制體表面處理

使用硅烷偶聯劑KH-570作為表面活性劑，配制其30wt%的水溶液作為處理液，將預制體浸泡在與其質量相同的上述處理液中，放入60℃的恒溫干燥箱內處理1h。處理結束后將預制體取出，在60℃下烘干。

3 復合材料制備

2.1 樹脂基體

采用鳳凰牌E-51型環氧樹脂，聚醚胺WHR-H023作為固化劑，以質量比為3∶1均勻混合，配制成樹脂基體。

2.2 復合成型

實驗使用真空灌注成型工藝制備復合材料，對放入真空桶中的樹脂基體進行30min的真空脫泡處理。依次將真空袋、導流網、隔離氈、脫模布鋪設在預制體上、下表面，導流管、螺旋管平鋪在預制體兩端，并用密封膠條將真空袋密封，形成真空灌注環境。將一端的導流管插入樹脂基體中，另一端的導流管與真空泵連接，在-75KPa的真空度下，進行真空灌注成型。將灌注完成的織物連同模具一同放入溫度為70℃的烘箱中，經過3h的固化后，取出復合材料。

4 低速沖擊實驗與性能測試

4.1 低速沖擊

使用江南大學自主開發的落錘式低速沖擊儀以不同的沖擊能量對復合材料進行低速沖擊，落錘式低速沖擊儀如圖3所示。沖擊儀沖頭形狀為楔形，沖頭質量為3.4kg，最大沖程為1.25m，最大沖擊能量為41.65J，根據不同沖程計算出不同的沖擊能量。

圖3 落錘式低速沖擊儀Fig.3 Drop hammer type apparatus for impacting at low-speed

4.2 沖擊后剩余彎曲性能

使用Instron3385H型萬能材料試驗機對預制體表面處理前后及不同沖擊能量作用后復合材料剩余彎曲性能進行測定，分析表面處理前后對復合材料沖擊后剩余彎曲性能的影響。

4.3 破壞形貌

使用SU1510型掃描電子顯微鏡對復合材料低速沖擊破壞凹坑進行微觀表征，分析復合材料破壞情況及其機理。

5 結果與分析

5.1 沖擊后剩余彎曲強度

將受到不同能量低速沖擊后的復合材料按國標GB/T 1449-2005(纖維增強塑料彎曲性能試驗方法)[16]裁切成60×15×2.95mm的彎曲測試樣條，在三點彎曲測試時，沖擊形成的凹坑與上壓頭位置保持重合。經過多次沖擊及彎曲測試得到復合材料低速沖擊后的剩余彎曲強度，如圖4所示。

圖4 復合材料沖擊后剩余彎曲強度Fig.4 Bending residual strength of 3D composites after impact

圖4顯示，在不同沖擊能量作用下，經過表面處理后預制體制備的復合材料剩余彎曲強度均大于未表面處理的復合材料。且隨著沖擊能量的增加，復合材料剩余彎曲強度逐漸降低。

由圖4可知，未經表面處理的預制體制備出的復合材料彎曲強度為194.5MPa，經過表面處理的預制體制備出的復合材料彎曲強度為235MPa，比未經表面處理的預制體強度提高20.82%。這是由于硅烷偶聯劑作用于纖維與樹脂的界面上，通過硅烷偶聯劑兩端的水解基團及非水解基團增強了纖維與樹脂間的結合，改善了界面性能。在受到彎曲載荷作用時，纖維增強體與樹脂基體能發揮更好的協同作用，因此復合材料的彎曲強度增加。

在低速沖擊作用下，復合材料內部結構發生損傷破壞，且沖擊能量越大復合材料內部結構受到的損傷越嚴重，沖擊后復合材料的剩余彎曲強度由未受破壞的部分提供。隨著沖擊能量的增加，復合材料結構未破壞的部分逐漸減少，復合材料剩余彎曲強度隨之逐漸降低。

以在26.656J沖擊能量的作用下，材料彎曲剩余強度為例，表面處理前后兩者應力應變曲線如圖5所示。

圖5 復合材料沖擊后剩余彎曲應力-應變曲線(沖擊能量為26.656J)Fig.5 Bending residual stress-strain curve of 3D composites after impact

5.2 沖擊凹坑微觀形貌

借助掃描電子顯微鏡對復合材料在低速沖擊作用下形成凹坑的微觀形貌進行觀察，結果如圖6所示。

圖6 復合材料沖擊凹坑微觀形貌照片 (a)、(c)： 預制體未經表面處理; (b)、(d)： 預制體經過表面處理Fig.6 Microstructure images of impact pit of 3D composites

其中，圖6(a)、(c)為未經表面處理預制體制備的復合材料；(b)、(d)為經過表面處理預制體制備的復合材料。分析圖6(a)、(c)可知，在楔形落錘作用下未經表面處理預制體制備的復合材料中纖維被拉斷，有纖維在樹脂基體中被拔出的現象，纖維斷裂的位置差異較明顯。這說明在受到沖擊作用時復合材料由于界面結合性能較差，纖維并未與樹脂基體較好地粘接為一個整體，在沖頭作用下復合材料受力整體性較差，纖維作為主要承載體發生逐根斷裂，這使得更多的纖維發生了斷裂，復合材料中能夠提供剩余強度的部分較少。分析圖6(b)、(d)可知，經過表面處理的預制體制備的復合材料未明顯發生纖維從樹脂中拔出的現象，且復合材料破壞表面較平整，纖維斷裂的位置統一。這說明在受到沖擊作用時復合材料中纖維與樹脂的界面結合性能良好，復合材料能夠作為一個良好的受力整體來承受載荷作用。良好的界面性能使復合材料剩余彎曲強度增大。

6 結 論

1.硅烷偶聯劑能夠改善玻璃纖維/環氧樹脂復合材料的界面結合性能，并提高其力學性能。

2.經硅烷偶聯劑表面處理的預制體制備出的復合材料沖擊凹坑微觀形貌更加平整。

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