碳纖軸紗對編織復合材料力學性能影響研究

張雄，王靜 ,吳曉青，宋建國

（1.天津工業大學紡織科學與工程學院，天津 300387；2.河北省復合材料產業技術研究院，河北 衡水 050000）

復合材料是可以合成金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料[1]的多相材料，通過物理或化學方法,獲得共存兩種或兩種以上性能的材料，以達到提高材料某些性能或彌補材料缺點和獲得具有新特性的特殊材料的目的。在諸多復合材料中，纖維增強樹脂基體復合材料應用較廣泛，樹脂基具有高強度等優點，可設計性強，成為重要的應用材料與航空結構材料之一[2]。二維編織復合材料因其纖維相互纏繞，具有高拉伸模量、抗分層[3]等優點，同時可以凈尺寸成型，故對二維編織力學性能影響因素研究時有必要的。P.Potluri[4]等人研究三軸對于雙軸復合材料彎曲剛度影響，表明三軸剛度大于雙軸剛度。F.heieck[5]等人研究了雙軸與三軸編織復合材料拉伸和壓縮性能影響，結果表明三軸編織復合材料對力學性能表現出更高的敏感度。

1 樣品制備

1.1 二維編織預制件制備

實驗采用巨石集團有限公司生產的E6D17-1200-380 直接無捻粗紗玻璃纖維作為編織紗，軸紗采用中復神鷹碳纖維有限責任公司生產的A 級12K 的SYT49S 型碳纖維，纖維參數（如表1 所示）。設備采用江蘇徐州七星機械有限公司生產的高速臥式64 錠二維編織機，其中織物規格為2×2，預制件參數（如表2 所示）。

表1 纖維參數Tab.1 Fibre parameters

表2 預制件各項參數Tab.2 Prefabricatedparameters

在編織過程中，由于編織紗是無捻紗，會造成紗線在退繞過程中未能完全退繞而導致紗線張力過大影響預制件均勻性，故在打線時，降低紗線纏繞張力，一方面可以減少玻璃纖維在準備階段的纖維損傷，另一方面可以降低纖維在編織時紗線退繞張力。在編織過程中需時刻關注紗線張力，確保各個編織紗張力的均勻性。

1.2 二維編織復合材料制備

圖1 雙軸與三軸不同角度下位移載荷曲線（a 表示玻纖雙軸，b 表示玻纖碳纖三軸）Fig.1 Biaxialand triaxialdisplacement load curves at different angles(a means glass fiber biaxial,b means glass fiber carbon fiber triaxial)

復合材料采用玻璃纖維與碳纖維二維編織預制件作為增強體，樹脂采用東方電氣公司生產的DQ200E 型環氧樹脂，固化劑采用同公司所生產DQ204H 型樹脂。因為本次實驗是測量板狀復合材料，故將預制件從芯模退下后壓平，通過VARTM 工藝制得復合材料。表2 中1-1 至1-6預制件為玻纖雙軸，復合層數為4 層，2-1 至2-6 預制件為玻纖編織紗、碳纖軸紗，復合層數為2 層。

2 力學性能測試

拉伸實驗是復合材料力學性能實驗應用最廣、研究最多的一種方法。利用拉伸實驗所得到的實驗數據可以確定材料的拉伸強度、拉伸模量、伸長率和其他性能指標。本實驗參照GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能實驗方法》，按照標準確定試樣個數及尺寸要求，在Instron3969 型萬能材料試驗機上進行測試，實驗加載速度為5mm/min。

在拉伸過程中，玻纖復合材料表現出較強的韌性，整個試樣拉伸形變較大。拉伸破壞時表現為纖維被抽出、樹脂基體開裂、樹脂基體與纖維束界面層分離、纖維束斷裂。玻纖碳纖復合材料表現出較強的脆性，整個試樣形變較小，拉伸破壞時表現為小范圍基體破裂，部分纖維束斷裂。

3 實驗數據和分析

（1）在相近角度下，玻纖碳纖復合材料拉伸強度比玻纖復合材料拉伸強度、拉伸模量均要大。從表3 可以看出，1-1 與2-1 角度基本接近，但有碳纖維軸紗存在的復合材料拉伸強度及拉伸模量均要高于玻纖復合材料。在二維編織復合材料中，二維編織預制件作為增強體增強了樹脂基體的強力，相對于雙軸玻纖復合材料而言，三軸玻纖碳纖復合材料在軸向加入碳纖維軸紗，起到更好的加強作用,同時拉伸模量也增大。

表3 拉伸測試數據Tab.3 Tensile test data

圖2 拉伸測試后試樣圖(a 表示雙軸編織復合材料，b 表示三軸編織復合材料)Fig.2 Test sample drawing after tensile test(a means biaxialbraided composite，b means triaxialbraided composite)

（2）在相近角度下，玻纖碳纖復合材料斷裂伸長率比玻纖復合材料斷裂伸長小。從表3 中可以計算得出，玻纖復合材料平均斷裂伸長率在12.8%，玻纖碳纖復合材料平均斷裂伸長率在6.7%。由數據可以看出，碳纖軸紗的存在，使得二維編織復合材料拉伸斷裂伸長率降低，編織復合材料整體性能更好，這是由于碳纖維軸紗平行存在于軸向，與材料受拉伸的力方向一致。碳纖維軸紗的存在使得材料整體受力性能更好，在材料受到軸向外力作用時，由于碳纖維自身強度較大以及與軸向平行的原因，碳纖維軸紗首先受到力的作用，又由于其整體性能好，故拉伸斷裂伸長率較小。在玻纖碳纖編織復合材料拉伸斷裂過程中，不僅需要克服編織紗在軸向上的反作用力，同時需要克服全部軸紗的斷裂力和軸紗與編織紗經過樹脂固化后的相互作用力，故最終表現為拉伸強度的增大與斷裂伸長的減小。

（3）碳纖維軸紗使編織復合材料更具有彈性性能。從圖1 中對比可以看出，玻纖碳纖編織復合材料位移載荷曲線更具線性，且破壞時載荷呈現斷崖式下降。拉伸破壞時，由圖2 可知，玻纖編織復合材料表現為纖維抽出，整個試樣基體均有形變，玻纖碳纖編織復合材料表現為局部基體破裂，部分纖維束斷裂。這是因為碳纖維軸紗在軸向上將整個試樣貫穿，材料更具有整體性，在受到拉力作用時，體現為整個試樣共同受力，在達到受力極限時首先造成基體開裂，伴隨著纖維束的斷裂。

（4）隨著編織角的增大，復合材料拉伸強度呈現下降趨勢。表3 可以看出，1-1 至1-6，編織角從30°增加至60°，拉伸強度從315.8 MPa 下降至71.8 MPa。同理，玻纖碳纖編織復合材料拉伸強度從431.4 MPa 下降至291.7 MPa。

4 結論

（1）在編織過程中需考慮玻纖無捻造成退繞張力不勻的問題，可在打線過程中將打線張力減小從而降低玻纖退繞張力。芯模采用PVC 管，在編織過程中芯模的抖動會影響編織進程，可對芯模尾部施加一定穩定力。

（2）采用相同纖維編織不同角度預制件時，考慮到覆蓋系數對材料力學性能有一定程度影響，故編織不同角度預制件時可采用不同直徑芯模保證覆蓋系數在90%以上。

（3）碳纖維軸紗增大材料拉伸強度及拉伸模量，在編織角為60°左右時拉伸強度增加最大為219.9 MPa，同時降低材料斷裂伸長率，使編織復合材料更具彈性，這是由于碳纖維軸紗在軸向貫穿整個材料，使材料更具有整體性。編織角對于編織復合材料拉伸性能影響較大，隨著編織角增大，拉伸強度呈現降低趨勢，碳纖維軸紗存在時，拉伸模量呈上升趨勢。拉伸強度最大為431.4 MPa，此時編織角為29.7°。玻纖編織復合材料斷裂時表現為纖維束抽出，整體基體出現形變，玻纖碳纖編織復合材料斷裂時表現為局部基體破裂，部分纖維束斷裂。