纖維包覆對環氧樹脂/碳纖維復合材料彎曲性能的影響

阮芳濤，徐珍珍，候大寅，邢 劍，鮑力民

(1.安徽工程大學紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000；2. 日本信州大學纖維學部，日本 長野 386-8567)

0 前言

先進纖維增強樹脂復合材料是由高性能增強纖維和基體樹脂通過一定的工藝方法復合而成。具有質輕、高強、良好的可設計性、耐腐蝕、抗振動等優點，易于制造一次整體成型的復雜零件。作為結構材料已在航空航天、船舶機械、建筑醫療等領域得到深入研究和廣泛應用[1-4]。由于連續纖維在復合材料中是處于取向排列結構，導致其力學性能具有各向異性的特點。在單向纖維增強復合材料中，沿著纖維方向，材料充分利用了纖維的高強度高模量的特性，使得復合材料在纖維排列方向上的拉伸強度和拉伸模量很高，但在纖維軸向壓縮方向上，受到纖維屈曲失穩等破壞機理的影響，其抗壓縮破壞性能較差[5-7]。以CF增強樹脂基復合材料為例，其壓縮強度通常為拉伸強度的50 %～60 %[8-9]，凱夫拉49纖維增強樹脂基復合材料的的壓縮強度僅為拉伸強度的15 %[10]。而且，當復合材料在彎曲載荷作用下，材料的上表面承受壓縮應力，下表面承受拉伸應力，當試樣所受彎曲載荷達到一定程度時，試樣的受壓面首先發生破壞，同時纖維也發生彎曲變形甚至斷裂[11]，因此，在復合材料承受彎曲載荷時，壓縮強度也成為了限制復合材料彎曲性能的重要因素。

目前，提高復合材料壓縮性能的方法主要有纖維表面改性、采用高模量樹脂基體和纖維混雜等方法[12-16]。這些方法對成本和品質的影響較大，但提高的效果并不是很顯著，不能充分發揮復合材料的高減重效率的優勢。近些年來，國內外學者對三維多向編織復合材料領域開展了廣泛的研究[17-19]。三維編織能夠提高復合材料的壓縮性能，嚴實等[20]針對三維四向編織復合材料，研究了材料的抗壓力學性能和失效機制，發現編織角度對材料的壓縮破壞模式有較大的影響。Shivakumar等[21]研究了紗線結構的變化對三維編織復合材料抗壓性能和失效機理的影響，發現軸向紗比偏軸紗的排布對壓縮強度的影響更大。三維編織中最主要的形式是三維四向編織結構，在三維四向編織結構的基礎上引入軸向紗以增強軸向的力學性能則可以形成三維五向、六向、七向等編織結構，針對不同的應用條件和載荷狀況采用不同的編織結構形式[22]。但是，三維多向編織復合材料壓縮性能的提高是以降低偏向紗在拉伸方向的性能為代價，在復合材料內部剩余較多編織空隙，無軸紗占據，使復合材料中的有效纖維含有率降低，限制了三維編織材料力學性能的大幅度提高。在前期研究過程中，筆者基于單方向纖維增強樹脂基復合材料的結構特征和單軸壓縮的纖維屈曲破壞模式，采用超高相對分子質量聚乙烯(PE-UHMW)纖維為增強纖維，PBO纖維為包覆纖維，采用操作簡單的單向纏繞包覆方式實現，并利用真空輔助樹脂轉移成型(RTM)的方法制備出單向復合材料，并對其進行軸向壓縮性能測試，結果表明，在不降低復合材料其他力學性能的前提下，利用包纏纖維束制備成纖維增強復合材料后，復合材料壓縮強度和壓縮模量均得以提高，同時通過改變包覆纖維的排列角度和包覆預張力可以調控復合材料的壓縮破壞損傷模式。

本文研究了包覆纖維PBO-CF對環氧樹脂彎曲性能和彎曲破壞模式的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

環氧樹脂，Dena-tile XNR 6815, 日本長瀨化學株式會社；

環氧樹脂硬化劑，XNH 6815，日本長瀨化學株式會社；

CF，T-300B，日本東麗公司；

PBO纖維，ZYLON(HM)，日本東洋紡公司。

1.2 主要設備及儀器

長絲纖維包覆機器，自制；

真空輔助樹脂轉移成型系統，自制；

電子萬能試驗機，AUTO GRAPH-20KND，日本島津制作所；

光學電子顯微鏡，KEYENCE VHX-6000，日本基恩士公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，日立 - 4800，日本日立公司。

1.3 樣品制備

包覆纖維束的制備：將CF束從繞有PBO長絲的中空圓柱按照5 m/min的速率通過，同時圓柱按照60 r/min的速率旋轉，可得到長絲纏繞的纖維束；通過調節纖維束的通過速度，可以改變纖維束上長絲的纏繞密度，改變中空圓柱旋轉的摩擦力，可以控制長絲纏繞的張力，具體的纏繞參數可見于文獻[23]3 128。本文提出了2種纏繞方式，一種為如圖1(a)所示的單向旋轉纏繞方式，PBO只按照一個方向對纖維束進行包覆;另一種為改進的雙向旋轉纏繞方式，如圖1(b)PBO同時在2個方向上對增強纖維束進行包覆纏繞。

(a)單向旋轉 (b)雙向旋轉圖1 包覆纖維的纏繞方式Fig.1 Winding mode of cover filament

環氧樹脂/包覆CF復合材料的制備：選用旋轉法將長絲包覆纖維束制備成單向的纖維布，采用真空輔助樹脂轉移成型法進行成型制備成復合材料；單方向CF增強環氧樹脂復合材料簡稱為CFRP，PBO長絲單向纏繞CF增強環氧樹脂復合材料簡稱為SCCF/CFRP，PBO長絲雙向纏繞CF增強環氧樹脂復合材料簡稱為DCCF/CFRP，復合材料中CF的體積含量均為40 %；采用切割機將復合材料切割成測試標準的尺寸。

1.4 性能測試與結構表征

三點彎曲性能測試：用萬能試驗機采用三點彎曲法，按JIS-K 7074測試材料的彎曲強度和彎曲模量，支點間的距離為80 mm，樣品的尺寸為100 mm×15 mm×2 mm，利用電子萬能測試儀進行測試，測試速率為5 mm/min，每次測量的試樣為5個，結果取平均值；

破壞斷面觀察：利用光學電子顯微鏡對復合材料破壞表面進行初步觀察，再將破壞面進行噴金處理，采用SEM對試樣的斷面進行微觀形貌觀察并拍照，加速電壓為10 kV，工作距離為11 mm。

2 結果與討論

2.1 纖維包覆對復合材料彎曲性能的影響

(a)彎曲強度 (b)彎曲模量圖3 纖維包覆對彎曲強度和彎曲模量的影響Fig.3 Effect of filament covering on bending strength and modulus

1—DCCF/CFRP 2—SCCF/CFRP 3—CFRP圖2 三點彎曲測試載荷 - 撓度曲線Fig.2 Load deflection curve of three point bending test

圖2為CFRP、SCCF/CFRP、DCCF/CFRP的彎曲載荷 - 位移曲線，纖維包覆對復合材料的彎曲強度和彎曲模量有很大影響，和CFRP相比，SCCF/CFRP和DCCF/CFRP的抗彎極限載荷高于CFRP，同時載荷 - 撓度曲線比CFRP試件更為陡峭，材料的抵抗變形的能力更強，即剛度更大。3類試樣的載荷和位移間具有良好的線性關系，CFRP、SCCF/CFRP試樣表現出明顯的脆性斷裂特征，DCCF/CFRP試樣的載荷 - 撓度曲線在斷裂后期變緩，具有韌性破壞斷裂特征。在復合材料承受彎曲載荷時，由于材料中弱界面和微裂紋的存在，局部出現應力集中的現象，當某些纖維的微裂紋尖端具有集中能量時，會使得裂紋進一步擴大，如果這種能量足夠大時，將使得材料的應力強度因子達到臨界值，裂紋失去穩定擴展，導致纖維的連鎖斷裂，使復合材料呈脆性破壞。對于單向纖維增強復合材料，其編織結構中纖維分布取向變化較小，其裂紋的擴展主要是沿著垂直纖維分布方向，對于纖維包覆復合材料來說，一方面，包覆長絲可以改變裂紋的擴展方向，增大材料的應力強度因子；另一方面，包覆的長絲有助于阻止斷裂裂紋在垂直方向上的擴展。因此，纖維包覆會導致單方向復合材料的彎曲強度和彎曲模量增加。

如圖3所示為按照JIS K7074標準計算得到試樣的彎曲強度和彎曲模量。從圖3可以看出，PBO長絲纏繞可以提升CF增強復合材料的彎曲強度，而且長絲雙向纏繞的提升效果要比單向纏繞的提升效果好。其中單向旋轉纏繞方式可提升20 %，雙向旋轉纏繞方式可提升36 %。在彎曲實驗中，首先在復合材料的上表層發生壓縮破壞，隨后發生彎曲整體破壞。因此，該材料的彎曲性能是由材料上表層的壓縮性能所限制。

本文中的單向纏繞和雙向纏繞的間距均為4 mm，可以排除纏繞間距的影響因素[23]3 130后，由圖4的屈曲示意圖可知，雙向旋轉纏繞方式進一步的提升效果是由于PBO長絲在纖維束相同位置的兩側可以進一步限制CF的屈曲破壞，當壓縮力作用于CF束達到臨界屈曲力時，CF開始產生屈曲，和長絲單向纏繞相比，雙向纏繞的CF的壓縮屈曲力可以由相對稱的PBO長絲產生的拉伸力相抵消，使其臨界屈曲力增大, 從而使得其彎曲強度得以提升。

(a)單向旋轉 (b)雙向旋轉圖4 包覆方式對纖維屈曲的影響Fig.4 Expected fiber buckling model

顯微照片：(a)CFRP (b)SCCF/CFRPSEM照片：(c)CFRP (d)SCCF/CFRP (e)DCCF/CFRP (f)DCCF/CFRP圖6 試樣彎曲破壞斷面照片Fig.6 Bending failure section of specimens

從圖3可以看出，纖維包覆能夠提高彎曲模量，SCCF/CFRP和DCCF/CFRP都有所提升，但提升效果并不好。由于模量是在材料的變形初期測定的，處于在屈曲變形的初期，由圖5的屈曲破壞模型分析可以推測，在未經過長絲纏繞的CF束在受力時，產生屈曲的過程中是由單根的纖維屈曲而產生的，在長絲纏繞后，CF的屈曲產生過程轉變為纖維束的整體屈曲，因此提高了CF束的整體抵抗小變形的能力，因此材料的彎曲模量得以提高。而在這個過程中，單向纏繞和雙向纏繞的作用區別不大。

(a)單根CFRP (b)SCCF/CFRP的纖維束圖5 屈曲破壞模型Fig.5 Buckling failure model

2.2 纖維包覆對彎曲破壞的影響

纖維包覆對復合材料的彎曲斷裂特征不僅表現在彎曲載荷 - 位移曲線上，也表現在破壞形貌上。由圖6(a)和(b)的彎曲破壞斷口形貌可知，CFRP和SCCF/CFRP都屬于壓潰破壞，在拉伸面沒有發生破壞，斷口呈現無規則角度，伴隨著大量纖維束斷裂和纖維分層，裂紋迅速在纖維束間擴展并向基體延伸，導致纖維與樹脂基體剝離，裂紋沿層間向基體延伸，形成微區層間脫黏，最終導致局部失效破壞。PBO長絲纏繞之后，其壓潰破壞現象更為明顯。圖6(c)、(d)為CFRP和SCCF/CFRP試樣的壓縮破壞部分的放大圖，可以看出其壓縮破壞方式略微有所不同，CFRP中的破壞方式是單根纖維的屈曲破壞，SCCF/CFRP的破壞是纖維束的整體屈曲破壞方式，印證了圖5的屈曲破壞模型，同時也能解釋長絲纏繞可以提高復合材料彎曲模量的原因。

在纖維增強樹脂復合材料中，是以高強高模的纖維材料起主要承載作用，提供結構剛度、強度并控制其基本性能，基體樹脂材料起支撐和固定纖維，其中纖維與樹脂的界面在這個過程中起到了很關鍵的作用，界面將施加于基體材料的載荷傳遞到作為增強體的纖維，并分散和傳遞纖維間的載荷，改變界面狀況也會影響損傷破壞模式。圖6(e)、(f) 為DCCF/CFRP的壓縮破壞SEM照片。從圖6(e)中可以看出，在復合材料彎曲斷面中，PBO與環氧樹脂間存在大量的縫隙，PBO纖維從樹脂中剝離，并且從圖6(f)還能看出，PBO纖維中呈現單根纖維的拔出現象，這表明PBO纖維和環氧樹脂間的界面性能較弱。DCCF/CFRP試樣的破壞是CF纖維束和界面基體的剪切破壞和PBO纖維的拔出，由于破壞過程中存在PBO纖維的拔出現象，應力在界面處會有所松弛，使得材料的損傷破壞過程表現出一定的韌性破壞。由于本研究中的PBO纖維并未做表面處理，環氧樹脂和纖維間的黏結性較弱，如果能改善PBO纖維的表面性能，有望進一步提高復合材料的彎曲和壓縮性能。

3 結論

(1)長絲纏繞可以提升CF復合材料的彎曲性能，其中單向旋轉纏繞方式可以提升20 %，雙向旋轉纏繞方式可以提升36 %；

(2)長絲纏繞可以提升CF復合材料的彎曲性能，在長絲纏繞的CF中沒有發現單根纖維的屈曲，但是CFRP中是發現了單根纖維的屈曲，是一束纖維的整體壓縮屈曲造成了破壞；

(3)PBO纖維和環氧樹脂的界面性能較差，阻礙了長絲纏繞增強纖維束復合材料彎曲性能的進一步提升。

參考文獻：

[1] BAJRACHARYA R M, MANALO A C, KARUNASENA W, et al.An Overview of Mechanical Properties and Durability of Glass-fibre Rreinforced Recycled Mixed Plastic Waste Composites[J]. Materials & Design, 2014, 62(10):98-112.

[2] FALKE J.Recent Developments in Composite Bridge Building in Germany[C]//Composite Construction in Steel and Concrete II. Koeln, Germany: American Society of Civil Engineers, 2015：378-382.

[3] PICKERING K L, EFENDY M G A, LE T M. A Review of Recent Developments in Natural Fibre Composites and their Mechanical Performance[J]. Composites Part A: Applied Science & Manufacturing, 2016, 83(1):98-112.

[4] SREENIVASAN S, SULAIMAN S, BAHARUDIM B T H T, et al. Recent Developments of Kenaf Fibre Reinforced Thermoset Composites: Review[J]. Materials Research Innovations, 2013, 17(S2):2-11.

[5] TSAMPAS S A, GREENHALGH E S, ANKERSEN J, et al.Compressive Failure of HybridMultidirectional Fibre-reinforced Composites[J].Composites Part A: Applied Science & Manufacturing, 2015, 71(1):40-58.

[6] LEMANSKI S L, SUTCLIFFE M P F. Compressive Failure of Finite Size Unidirectional Composite Laminates with a Region of Fibre Waviness[J].Composites Part A: Applied Science & Manufacturing, 2012, 43(3):435-444.

[7] MUJIKA F. Stress and Displacement Fields in Tensile Tests of Multidirectional Laminates with Flexible Clamped Ends[J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47(28):3 467-3 486.

[8] ISHIKAWA T.Recent Developments of the SiC Fiber Nicalon and Its Composites, Including Properties of the SiC Fiber Hi-Nicalon for Ultra-high Temperature[J].Compo-sites Science & Technology, 1994, 51(2):135-144.

[9] WEETON J W, PETERS D M, THOMAS K L. Engineers’ Guide to Composite Materials[M]. Engineers Guide to Composite Materials, 1987:247-248.

[10] YU Z, AIT-KADI A, BRISSON J. Nylon/Kevlar Composites I: Mechanical Properties[J].Polymer Engineering & Science, 2010, 31(16):1 222-1 227.

[11] BOZKURT ?mer Y. Hybridization Effects on Tensile and Bending Behavior of Aramid Basalt Fiber Reinforced Epoxy Composites[J].Polymer Composites, 2017, 38(6):1 144-1 150.

[12] SHAHS Z H, CHOUDHRY S R, KHANL A. Investigation of Compressive Properties of 3D Fiber Reinforced Polymeric (FRP) Composites Through Combined End and Shear Loading[J]. Journal of Mechanical Enginee-ring Research, 2015, 7(4):34-48.

[13] JUMAHAT A, SOUTIS C, JONES F R, et al.Improved Compressive Properties of a Unidirectional CFRP Laminate Using Nanosilica Particles[J].Advanced Composites Letters, 2010, 19(6):218-221.

[14] SAKATA K, BEN G.Fabrication Method and Compressive Properties of CFRP Isogrid Cylindrical Shells[J].Advanced Composite Materials, 2012, 21(5/6):445-457.

[15] LEOPOLD C, SCHUTT M, LIEBIG W V, et al.Compression Fracture of CFRP Laminates Containing Stress Intensifications[J].Materials, 2017, 10(9):1 039-1 048.

[16] RUAN F T, BAO L M. Mechanical Enhancement of UHMWPE Fibers by Coating with Carbon Nanoparticles[J].Fibers & Polymers, 2014, 15(4):723-728.

[17] SALEH M N, YUDHANTO A, POTLURI P, et al. Characterising the Loading Direction Sensitivity of 3D Woven Composites: Effect of Z-binder Architecture[J].Composites Part A, 2016, 90(1):577-588.

[18] DAI S, CUNNINGHAM P R, MARSHALL S, et al.Influence of Fibre Architecture on the Tensile, Compressive and Flexural Behaviour of 3D Woven Composites[J].Composites Part A: Applied Science & Manufacturing, 2015, 69(1):195-207.

[19] BEHERA B K, DASH B P. Mechanical Behavior of 3D Woven Composites[J].Materials & Design, 2015, 67(1):261-271.

[20] 嚴 實, 吳林志, 孫雨果.三維四向編織復合材料壓縮力學性能實驗研究[J].材料工程, 2007, 7(1):59-62.

YAN S, WU L Z, SUN Y G.Experimental Investigation Compressive Mechanical Properties of 3D 4-Directional Braided Composites[J]. Journal of Materials Enginee-ring, 2007, 7(1):59-62.

[21] SHIVAKUMAR K N, PANDURANGA R, SKUJINS J, et al.Assessment of Mode-II Fracture Tests for Unidirectional Fiber Reinforced Composite Laminates[J].Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2015, 34(23):1 905-1 925.

[22] 張 迪, 鄭錫濤, 孫 穎, 等.三維編織與層合復合材料力學性能對比試驗[J].航空材料學報, 2015, 35(3):89-96.

ZHANG D, ZHENG X T, SUN Y.Comparative Investigation of Mechanical Properties between 3D Braided and Laminated Composites[J].Journal of Aeronautical Materials, 2015, 35(3):89-96.

[23] RUAN F T, BAO L M. Improved Longitudinal Compression Performance of a Unidirectional Fiber-reinforced Composite with a Filament Covering[J].Polymer Composites, 2016, 37(11):3 127-3 133.