玄武巖/碳纖維混雜三維正交復合材料拉伸性能研究

李婉婉 汪進前 蓋燕芳 鄧成浩 李朝利

摘?要：以玄武巖纖維、碳纖維為原料，設計出5種不同混雜比的三維正交織物，利用真空輔助成型工藝制備了乙烯基酯樹脂基混雜復合材料，對其拉伸性能進行了測試，重點分析玄武巖纖維在織物中所占比例對復合材料拉伸性能的影響。結果表明：在纖維總體積分數一定的情況下，隨著混雜織物中玄武巖纖維所占比例的增大，復合材料的拉伸強度先增大后減小，拉伸斷裂伸長率逐漸增大，彈性模量逐漸減小，經向整體拉伸性能優于緯向。纖維的混雜比及其性質決定了混雜三維機織復合材料的斷裂機制，通過調節纖維混雜比可以充分發揮各種纖維的優勢和特點，設計出滿足不同需求的材料。

關鍵詞：三維正交織物;混雜比;復合材料;拉伸性能

中圖分類號：TS143.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）02-0001-05

Abstract：Five kinds of basalt/carbon hybrid 3D orthogonal fabric composites with different hybrid ratios were designed. The hybrid composite material of vinyl ester resin was prepared by vacuum assisted resin infusion， and the tensile property was tested. The effect of hybrid ratio of basalt fiber in the fabric on the tensile property of composites was analyzed. The results showed that， under the certain total volume fraction of fibers， with the increase of basalt fiber ratio in the fabric the tensile strength of composites first increased and then decreased; the elongation at break gradually increased， and elasticity modulus declined gradually; the overall tensile property at the warp direction was superior to that at the weft direction. The hybrid ratio and properties of fibers determined fracture mechanism of the hybrid 3D woven composite materials. The advantages and features of various fibers can be fully developed through adjusting hybrid ratio of fibers. Thus， the materials meeting different requirements can be designed.

Key words：3D orthogonal fabric; hybrid ratio; composite material; tensile property

傳統的纖維增強復合材料由于結構內部層間約束只依靠基體，導致其Z向上強度低，在受載時容易造成分層失效[1-2]。三維正交復合材料層與層之間有Z向紗的約束，提高了材料的穩定性、層間性能、抗沖擊性和各個方向上強度的均勻性，克服了傳統層和復合材料的缺陷，是紡織復合材料發展的重要方向[3]。當前，已有的研究主要探討了純三維正交復合材料的性能，對混雜三維正交復合材料的研究還需要進一步發展。混雜纖維復合材料是指由兩種或兩種以上的纖維增強同一種基體而形成的復合材料[4]。混雜纖維復合材料不僅可以充分發揮不同增強材料的性能優勢，增加了材料的可設計性，還可以降低材料的成本，在工程領域有極大應用潛力[5-7]。

玄武巖纖維是21世紀符合生態環境要求的綠色新材料，因此對其復合材料的研究具有非常重要的意義。玄武巖連續纖維具有優異的物理、化學性能，比如耐腐蝕性、電絕緣性、熱穩定性及與材料良好的兼容性，而且性價比十分優越，完全可以滿足對復合材料增強體的性能要求，因此玄武巖纖維的應用日益增加，在一些工程領域內逐漸代替玻璃纖維、芳綸等增強纖維[8]。碳纖維具有眾多優良的性能，但某些性能也存在缺陷，例如抗沖擊性差，斷裂伸長率小，抗剪切模量低，這些缺陷限制了它的應用范圍。如果將兩種纖維進行混雜，則可以綜合利用兩種纖維復合材料的性能優點，通過取長補短獲得性能更優異的材料[9]。

本文以玄武巖纖維和碳纖維為三維正交復合材料的增強纖維，從兩者不同混雜比及其不同排列結構的角度設計出5種玄武巖纖維/碳纖維增強乙烯基酯樹脂復合材料，研究了復合材料的拉伸性能，這將對于拓展玄武巖/碳纖維混雜三維機織復合材料的結構分析、優化設計和實際應用提供實驗依據和理論參考，具有實際意義。

1?實?驗

1.1?實驗材料

玄武巖纖維（線密度464 tex，四川航天拓鑫玄武巖有限責任公司），碳纖維（線密度800 tex，海寧安捷復合材料有限責任公司），乙烯基樹脂890（上海科拉斯復合材料有限公司），固化劑甲乙酮（上海科拉斯復合材料有限公司），催化劑異鋅酸鈷（上海?科拉斯復合材料有限公司）。纖維及樹脂的力學性能如表1所示。

1.2?制作工藝

1.2.1?機織制作工藝

5種三維正交織物，經緯紗均采用玄武巖/碳纖維為原料，采用半自動織機實現織造過程。其組織參數設計如下：預設織物小樣的幅寬和經緯密分別為25 cm和50根/10 cm，每筘齒穿2根紗線，5種正交混編織物參數如表2所示，織物結構示意圖如圖1所示。圖1（a）代表純碳纖維（PCF），圖1（b）代表三層碳纖維/一層玄武巖纖維（1BF），圖1（c）代表二層碳纖維/二層玄武巖纖維（2BF），圖1（d）代表一層碳纖維/三層玄武巖纖維（3BF），圖1（e）代表純玄武巖纖維（PBF）。為了方便研究，結接紗均使用韌性較好的玄武巖纖維。

1.2.2?復合材料成型

本實驗采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝將預制體與樹脂基體進行復合成型。首先將樹脂、固化劑、催化劑按質量比100∶1∶1進行配制，用攪拌機攪拌均勻，然后在壓強為0.8 MPa的條件下將配好的樹脂吸入真空袋充分浸潤預制件，最后在常溫下放置24 h完成固化。樣品尺寸（長×寬×厚）為250 mm×250 mm×2 mm，采用稱重法[10]計算得到復合材料的纖維體積含量為（65±1.5）%[11]。

1.3?拉伸測試

根據GB/T 1447—2005[12]標準，對三維混雜正交復合材料進行經向和緯向拉伸性能測試。拉伸儀器采用Instron3382電子萬能試驗機，夾頭的加載速度為2 mm/min，隔距為10 cm。試樣用切割機切割成25 mm×250 mm×2 mm的矩形。在試樣粘接面正負45°打磨，使用環氧膠粘接貼增強鋁片，目的是提供一個合適的加持面、傳遞載荷給下面的被測材料以及保護試樣的外層纖維。根據三維織物中玄武巖纖維所占比例的不同，將試樣分為5組，每組經緯向各5個試樣。拉伸性能測試得到位移載荷曲線，根據式（1）、式（2）、式（3）計算得到拉伸強度、斷裂伸長率和彈性模量。

2?結果與討論

2.1?混雜比例對材料拉伸強度的影響

5種三維混雜正交機織復合材料的經緯向拉伸強度性能。

碳纖維復合材料和玄武巖纖維復合材料的經向拉伸強度分別為425.01 MPa和205.65 MPa，緯向拉伸強度分別為364.92 MPa和164.11 MPa;當玄武巖纖維所占總纖維比例分別為26.5%、49.8%和74%時，混雜復合材料的經向拉伸強度分別為436.87 MPa、376.34 MPa和306.58 MPa，緯向拉伸強度分別為387.12 MPa、329.18 MPa和259.94 MPa。這說明混雜工藝明顯改善了玄武巖纖維復合材料的拉伸強度[13]。

隨著玄武巖纖維在織物結構中所占比例增加，復合材料的拉伸強度有所上升，至1BF時復合材料拉伸強度達到最大值[14]。隨著玄武巖纖維在織物結構中所占比例的繼續增加，復合材料的拉伸強度逐漸下降，在經緯向均為玄武巖纖維時復合材料拉伸強度達到最小值。拉伸強度上升的原因主要有3個方面：a）玄武巖纖維表面能要優于碳纖維，與乙烯基酯樹脂浸潤性好、粘結強度高，玄武巖纖維/碳纖維混編織物與乙烯基酯樹脂的界面性能要優于純碳纖維織物復合材料，界面性能的優化提高了材料的拉伸強度;b）在乙烯基酯樹脂基體強度和模量基本不變的前提下，玄武巖纖維的加入提高了增強體的斷裂延伸率，也會提高復合材料的拉伸強度;c）復合材料韌性的增加，使其阻擋裂紋擴展的能力提高，玄武巖纖維/碳纖維層間混雜纖維復合材料展現出分級斷裂性質，有利于強度的增加[15]。然而，碳纖維的強度明顯高于玄武巖纖維，隨著玄武巖纖維在織物結構中所占比例的增加，碳纖維的強度優勢表現出來，拉伸強度逐漸下降。對比復合材料經向和緯向的拉伸強度可以看出，兩者的變化趨勢相似，均是先上升后下降，整體經向拉伸強度大于緯向拉伸強度。這是因為三維織物的經紗和緯紗兩兩相互垂直交織，在理想狀態下經紗和緯紗呈直線狀態分布，織造時采用的經緯密度相同，但是在經向上還有結接紗的存在，增加了縱向上的織物密度，造成經向拉伸強度大于緯向拉伸強度。

2.2?混雜比例對材料斷裂伸長率的影響

5種三維混雜正交機織復合材料的經緯向斷裂伸長率性能。

碳纖維復合材料和玄武巖纖維復合材料的經向斷裂伸長率分別為2.2%和5.4%，緯向斷裂伸長率分別為1.9%和5.2%;當玄武巖纖維所占總纖維比例分別為26.5%、49.8%和74%時，混雜復合材料的經向斷裂伸長率分別為2.7%、3.5%和4.3%，緯向斷裂伸長率分別為2.4%、3.0%和4.1%。這表明混雜工藝使碳纖維復合材料的斷裂韌性得到了明顯改善[5]。

隨著玄武巖纖維在織物結構中所占比例增加，復合材料的拉伸斷裂伸長率逐漸增大。這是由于復合材料的斷裂伸長率由玄武巖纖維、碳纖維和乙烯基酯樹脂的斷裂伸長率共同決定的。5種結構的纖維總體積分數相同，因此基體樹脂的含量也相同，可以不做考慮。復合材料的斷裂韌性由纖維的斷裂韌性來決定，而玄武巖纖維的斷裂伸長比碳纖維大，因此，玄武巖纖維含量越大，復合材料的斷裂伸長率越高。對比復合材料經向和緯向的斷裂伸長率可以看出，兩者的變化趨勢相似，均是逐漸增大，整體經向斷裂伸長率大于緯向斷裂伸長率。這是因為三維織物的經紗和緯紗在理想狀態下都呈直線狀態分布，僅縱向的結接紗呈彎曲狀態，在拉伸實驗中，縱向對拉伸應力的緩沖能力強，造成經向的斷裂伸長率大于緯向的斷裂伸長率。

2.3?混雜比例對材料彈性模量的影響

5種三維混雜正交機織復合材料的經緯向拉伸彈性模量性能。

碳纖維復合材料和玄武巖纖維復合材料的經向彈性模量分別為44.82 GPa和13.2 GPa，緯向的彈性模量分別為40.73 GPa和10.5 GPa;當玄武巖纖維所占總纖維比例分別為26.5%、49.8%和74%時，混雜復合材料的經向彈性模量分別為41.71 GPa、35.98 GPa和24.6 GPa，緯向彈性模量分別為38.65 GPa、29.12 GPa和21.4GPa。這表明混雜工藝使玄武巖纖維復合材料的彈性模量明顯提高。

隨著玄武巖纖維含量的增加，復合材料的彈性模量呈現減少趨勢，玄武巖纖維含量越高，減少的速度越快。這是由于碳纖維本身的彈性模量遠遠大于玄武巖纖維彈性模量，因此，玄武巖纖維含量的增加使復合材料的彈性模量減少[14]。混雜材料1BF與PCF的彈性模量相差不大，玄武巖纖維的加入提高了增強體的斷裂延伸率，使復合材料抵抗裂紋失穩擴展的能力提高，具有良好的變形性能和強度性能。對比復合材料經向和緯向的彈性模量可以看出，兩者的變化趨勢相似，均是逐漸減小，整體經向彈性模量大于緯向彈性模量。這是因為三維織物在經向上還有結接紗的存在，實驗中結接紗均采用玄武巖纖維，韌性好的玄武巖纖維可以阻擋裂紋擴展進而延緩破壞的發生，從而使材料具有良好的變形性能和強度性能。

2.4?試樣斷裂模式

三維混雜正交機織復合材料的拉伸斷裂特性為：測試開始階段，拉伸載荷作用于復合材料，基體首先受到來自外界的力開始變形，并消除在固化中形成的受壓狀態。它將力迅速傳遞給起增強作用的纖維材料，復合材料表現為彈性變形，在載荷位移曲線上表現為載荷隨位移的增加線性增加;隨著測試的進行，拉伸載荷逐漸增大，樹脂與纖維同時變形。當達到一定程度時，彈性模量低的基體開始產生裂紋，裂紋迅速擴展向纖維和樹脂的界面，造成了纖維與樹脂的剝裂。此時，斷裂伸長較小的碳纖維阻止樹脂斷裂的發展，強度主要由纖維來體現[16]。由于玄武巖纖維具有較好的斷裂韌性，當隨機斷裂的碳纖維層形成的裂紋擴展至玄武巖纖維層時，裂紋的擴展受到限制;隨著測試的繼續進行，拉伸位移超過了玄武巖纖維的斷裂伸長，玄武巖纖維層逐漸斷裂直至試樣從中部斷裂，拉伸載荷急速下降，材料完全被破壞[17]。可見，玄武巖纖維/碳纖維層間混雜纖維復合材料展現出分級斷裂性質，具有良好的形變和強度。由于三維正交復合材料具有良好的整體性，材料被破壞后并未出現分層現象。試樣斷口附近表層斷裂不規則，有大量纖維被抽拔，纖維和樹脂發生脫粘破壞，研究并提高界面性能可以改善脫粘現象[18]。

3?結?論

本研究自行設計并制作完成了5種不同混雜比的玄武巖/碳纖維三維混雜正交機織復合材料，并對其拉伸性能和斷裂模式進行了研究，結果表明，5種結構的拉伸性能隨玄武巖纖維含量變化而變化。隨著玄武巖纖維在材料中所占比例的增加，混雜復合材料的拉伸強度先增大后減小，斷裂伸長率逐漸增大，彈性模量逐漸減小，經向整體拉伸性能優于緯向。玄武巖纖維占總纖維比例為26.5%時的復合材料的拉伸強度最高，混雜工藝有利于改善玄武巖纖維復合材料的拉伸強度和碳纖維復合材料的斷裂韌性。材料被破壞后并未出現分層現象，說明混雜三維正交復合材料具有良好的整體性能。隨著玄武巖在材料中所占比例的增加，混雜復合材料呈現從脆性斷裂向塑性斷裂過渡的特征，而且表現出分級斷裂性質，說明玄武巖/碳纖維三維混雜正交機織復合材料具有良好的形變和強度。在生產中，可以通過調節混雜比來實現不同的性能需求。

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