碳纖維織物在室內空間中的設計與性能研究

董 靜

（上海東海職業技術學院，上海 200241）

壯錦織物是用染好顏色的彩色經緯線，經提花、織造工藝織出圖案的織物，以其五彩繽紛的色彩、別致的圖案和結實耐用等而馳名中外，其色彩對比強烈，紋樣多為菱形幾何圖案，結構嚴謹而富于變化，具有濃艷粗獷的藝術風格，可用于制做衣裙、巾被、背包、臺布等。傳統的壯錦織物多采用棉紗作經、絲線作緯，雖然具有結實耐用等特性，但是仍然存在織物較厚、比重大和質感較差等問題，且織物材質是影響壯錦圖案的關鍵因素之一。隨著現代高新技術的迅猛發展和材料技術的提高，具有高強度、低比重又兼備紡織纖維的柔軟可加工性等特性的碳纖維復合材料在室內空間中的應用逐步推廣，并具有廣泛的應用前景[1]。目前，碳纖維編織復合材料的開發與應用已經較為廣泛，但是二維編織對稱碳纖維復合材料存在編織纖維屈曲較大造成的面內力學性能降低的問題[2]，因此，本文制備了單向編織對稱鋪層復合材料并與二維編織對稱碳纖維復合材料的拉伸性能進行了對比，考察了編織角度和纖維含量對復合材料拉伸性能和破壞模式的影響，結果有助于碳纖維復合材料在室內空間設計中的應用。

1 試驗部分

以臺麗公司的T300碳纖維（拉伸強度4000MPa、密度1.80g/cm3）、JC-02 型環氧樹脂（拉伸強度66MPa、密度1.13g/cm3）、JC-02B型改性酸酐（粘度45MPa.s）為原料，采用真空輔助樹脂傳遞模塑法制備了碳纖維樹脂基復合材料（編織物浸潤后置于烘箱中進行88℃/2h+108℃/2h+128℃/2h的固化處理并空冷至室溫），包括單向編織對稱鋪層復合材料和二維編織對稱鋪層復合材料，前者的鋪層數為16，后者的鋪層數為8。

根據GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，在美國MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗機中對碳纖維增強樹脂基復合材料的拉伸性能測試，試樣尺寸與宏觀形貌如圖1所示。在加工試樣時需要注意保持各組試樣紋路相同，并在頭端和尾端加貼長50mm、厚0.5mm的硬鋁加強片，拉伸速率為3mm/min，測試溫度為室溫。

圖1 拉伸試樣的尺寸與宏觀形貌Fig. 1 Size and macromorphology of tensile specimens

3 結果及討論

對單向編織對稱鋪層復合材料的拉伸性能進行測試，結果見表1，其中，單1、單2和單3試樣分別對應于復合材料左側、中間和右側的試樣。可見，在相同的寬度和厚度條件下，編織角度的不同會造成纖維體積分數的差異以及拉伸強度上的不同；單1試樣相對單3試樣的編織角降低了1°，反映在拉伸強度上則表現為拉伸強度提高1.65MPa，由于二者的纖維體積分數和編織角相差較小，造成強度差異的原因可能與固化工藝有關[3]。單2試樣的最內層和最外層角度的差值高于單1和單3試樣，造成纖維體積分數明顯減小，拉伸強度明顯降低，這主要是因為單向編織對稱鋪層復合材料中纖維體積分數是影響材料拉伸強度的最主要因素[4]。

表1 單向編織對稱鋪層復合材料的拉伸性能Table 1 Tensile properties of unidirectional braided symmetrical laminated composites

對二維編織對稱鋪層復合材料的拉伸性能進行測試，結果見表2，其中，二維1、二維2和二維3試樣分別對應于復合材料左側、中間和右側的試樣。可見，由于編織角的不同，三種復合材料的纖維體積分數和拉伸強度存在明顯差異，二維1相較于二維3的最內角度降低了2°，在纖維體積分數略高的前提下，拉伸強度提高了22.52MPa，由此可見，二維編織對稱鋪層復合材料中編織角和纖維含量都會對復合材料的拉伸性能產生顯著影響，其中，編織角的減小會使得纖維束偏向軸向排列而增強拉伸強度，而纖維含量最高也會有助于提高拉伸強度。二維2試樣的最內層編織角相較于二維1和二維3分別增加5°和3°，最內層編織角都相比增加了3°，纖維體積分數分別減小3.02%和2.87%，拉伸強度分別減小30.22MPa和7.7MPa，這主要是因為二維2在編織角和纖維含量的共同作用下造成二維編織對稱鋪層復合材料拉伸性能的減小[5]。

表2 二維編織對稱鋪層復合材料的拉伸性能Table 2 Tensile properties of 2-D braided symmetrical laminated composites

對單向編織對稱鋪層復合材料的拉伸模量進行統計分析，結果如圖2所示。單1、單2和單3試樣的拉伸模量分別為6.23GPa、5.49GPa和6.06GPa，可見單1試樣的拉伸模量最高，其次為單3試樣，而單2試樣的拉伸模量最小。單1試樣和單2試樣的拉伸模量相差最大，差值為0.74GPa，表明單向編織對稱鋪層復合材料的左側、中間和右側試樣的拉伸模量離散性較小，但是纖維體積分數和編織角都會對拉伸模量造成影響[6]，且纖維體積分數的影響占主要地位，其次為編織角造成的影響。

圖2 單向編織對稱鋪層復合材料的拉伸模量Fig. 2 Tensile modulus of unidirectional braided symmetrical laminated composites

對二維編織對稱鋪層復合材料的拉伸模量進行統計分析，結果如圖3所示。二維1、二維2和二維3試樣的拉伸模量分別為5.31GPa、3.99GPa和5.06GPa，可見二維2試樣的拉伸模量明顯小于二維1和二維3試樣，這主要是因為二維2試樣的纖維體積分數明顯小于其它2組試樣，且編織角相較于二維1和二維3試樣更大，而較大的編織角會造成纖維偏離軸向排列更加明顯，從而減小了二維編織對稱鋪層復合材料在軸向的承載力[7]。

圖3 二維編織對稱鋪層復合材料的拉伸模量Fig. 3 Tensile modulus of 2-D braided symmetrical laminated composites

對纖維體積分數相近的單2和二維2試樣的拉伸強度和拉伸模量進行對比分析，可見，單向2試樣的拉伸強度要高于二維2試樣，且單向2試樣的拉伸模量要高于二維2試樣1.5GPa。這主要是因為單2試樣的編織角相較于二維2試樣減小了2°，且纖維體積分數增加了約0.7%，從而造成復合材料在拉伸強度升高的同時提高了拉伸模量。

對單2和二維2試樣的拉伸破壞處的宏觀形貌進行觀察，結果如圖4所示，其中左側為單2試樣，右側為二維2試樣。宏觀形貌中可見，單2試樣的裂紋沿著纖維束排列方向延伸，最外側纖維層向外側翹起，而二維2試樣在破壞處發生了一定程度縮頸，纖維層由于相互交織作用并沒有發生翹起，但是出現了纖維束整體拔出、樹脂脫落的現象。

圖4 單2和二維2試樣的拉伸破壞處的宏觀形貌Fig. 4 Macroscopic morphology of tensile failure of single-2 and two-dimensional specimens

對單2試樣的外側、1/4寬度處和1/2寬度處的表面形貌進行觀察，其中從上至下依次為第1層至第16層。可見，復合材料中同時存在層內裂紋和層間裂紋，其中，層內裂紋沿著厚度方向延伸，且在相鄰纖維層中不會發生擴展，裂紋主要存在于同一纖維束內部或者纖維間的樹脂基體中；層間裂紋則在纖維層間延伸，且裂紋的擴展方向幾乎與纖維平行排列。

對二維2試樣的外側、1/4寬度處和1/2寬度處的表面形貌進行觀察，其中從上至下依次為第1層至第16層。相較于單向編織對稱鋪層復合材料，二維編織對稱鋪層復合材料中的裂紋或者裂縫變得雜亂無章，裂紋延伸方向垂直于受力方向并在纖維層間擴展；層間裂紋則由于二維編織中纖維傾斜排列的特性而呈現切斜走向[8-9]。無論是單向編織對稱鋪層復合材料還是二維編織對稱鋪層復合材料，破壞最嚴重的區域都出現外側，而1/2寬度處的破壞相對較輕，這主要是由于外側纖維層在受外加載荷作用下會首先產生破壞并產生裂紋[10-11]，而隨著外加載荷的持續加載，裂紋逐漸擴展至內部，并當載荷超過復合材料承載能力時發生斷裂，但是最先產生裂紋的區域基本都處于復合材料編織物中編織角最小且存在纖維頭端的第一層。

3 結論

（1）單1試樣相對單3試樣的編織角降低了1°，反映在拉伸強度上則表現為拉伸強度提高1.65MPa；單2試樣的最內層和最外層角度的差值高于單1和單3試樣，造成纖維體積分數明顯減小，拉伸強度明顯降低。

（2）二維2試樣的最內層編織角相較于二維1和二維3分別增加5°和3°，最內層編織角都相比增加了3°，纖維體積分數分別減小3.02%和2.87%，拉伸強度分別減小 30.22MPa和7.7MPa。

（3）單1、單2和單3試樣的拉伸模量分別為6.23GPa、5.49GPa和6.06GPa，二維1、二維2和二維3試樣的拉伸模量分別為5.31GPa、3.99GPa和5.06GPa，編織角和纖維含量都會對復合材料的拉伸強度和拉伸模量造成顯著影響。

（4）相較于單向編織對稱鋪層復合材料，二維編織對稱鋪層復合材料中的裂紋或者裂縫變得雜亂無章，裂紋延伸方向垂直于受力方向并在纖維層間擴展，層間裂紋則由于二維編織中纖維傾斜排列的特性而呈現切斜走向。無論是單向編織對稱鋪層復合材料還是二維編織對稱鋪層復合材料，破壞最嚴重的區域都出現于外側，而1/2寬度處的破壞相對較輕。