碳/亞麻纖維混雜復合材料層間斷裂韌度

袁衛可, 李 巖,2*, 趙 劍

（1．同濟大學 航空航天與力學學院, 上海 200092；2．同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 200092）

碳纖維由于其高強度、高模量、低密度、耐疲勞和熱膨脹系數低等優點成為目前復合材料中應用最為廣泛的纖維之一[1]。但是碳纖維表面較為光滑，與樹脂結合能力較差，導致其增強復合材料層間斷裂韌度較低，抗分層能力較弱[2]。碳纖維為人造纖維，其增強復合材料難以回收和降解，帶來了日益嚴重的環境問題，同時碳纖維生產過程需要消耗較多的能源，造價較高[3]。以上因素均在一定程度上限制了碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）的使用。

相比于碳纖維，以亞麻纖維為代表的植物纖維，不僅來源豐富、價格低廉、生產過程能耗低、可再生、可生物降解，而且具有可比擬玻璃纖維的比強度和比模量以及良好的吸聲[4]、隔熱[5]和阻尼性能[6]。最重要的是，亞麻纖維的多尺度結構為其增強復合材料帶來了獨特的層間破壞模式。Singleton等[7]研究了亞麻纖維增強聚乙烯復合材料的抗沖擊性能，實驗過程中發現亞麻纖維增強復合材料在沖擊過程中發生纖維滑移、基體開裂、纖維開裂、纖維劈裂、纖維斷裂以及纖維拔出等多層次多尺度的失效模式。這種失效模式使亞麻纖維增強復合材料的層間力學性能遠高于碳纖維增強復合材料[8]。

混雜復合材料是含有兩種或兩種以上增強纖維的一種復合材料。與單種纖維增強復合材料相比，混雜復合材料能夠綜合多種纖維的性能特點，兼容多種增強纖維各自的屬性，從而根據不同的應用環境和承載要求進行復合材料的設計。通過大量混雜復合材料力學性能的研究表明，不同種類纖維的混雜，可以提高復合材料的強度、剛度和抗沖擊等性能[9]。為了提高玻璃纖維增強復合材料的拉伸強度，Isa 等[10]制造了芳綸/玻璃纖維混雜復合材料，結果表明該混雜復合材料的拉伸強度比玻璃纖維增強復合材料的高19%。Kumar 等[11]在劍麻纖維增強復合材料中混雜了玻璃纖維來提高其彎曲性能，彎曲強度約提高了61%。Hosur 等[12]也通過制備玻璃/碳纖維混雜復合材料來提高碳纖維增強復合材料的抗沖擊能力，在低速沖擊測試中玻璃/碳纖維混雜復合材料達到最大力所損耗的能量是碳纖維增強復合材料的2.7 倍。

為了提高碳纖維增強復合材料的抗分層能力，同時降低材料的成本，減少對環境影響，本工作使用模壓工藝制備碳/亞麻纖維混雜復合材料（carbon/flax fiber reinforced polymer，CFFRP），通過雙懸臂梁（DCB）實驗和端部缺口梁彎曲（ENF）實驗研究其Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌度，并借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其層間斷裂表面微觀形貌，分析其層間破壞機理。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料

雙酚A 環氧樹脂和胺類固化劑均產自道生天合材料科技（上海）股份有限公司。T300 單向纖維布產自上海晉飛碳纖科技股份有限公司，面密度和密度分別為180 g/m2和1.8 g/cm3。單向亞麻纖維布產自比利時Lineo 公司，面密度為200 g/m2，密度為1.5 g/cm3。

1.2 試樣制備

采用模壓成型工藝制備碳/亞麻纖維混雜復合材料層間斷裂韌度測試試樣，工藝流程如圖1 所示：首先，將碳纖維單向布（C）和亞麻纖維單向布（F）裁剪成尺寸為單根試樣六倍左右大小的長方形。然后將裁剪好的纖維布沿0°方向以[C8/F3/C8/F3]鋪層方案進行鋪設，在第11 層的亞麻纖維布和第12 層的碳纖維布一端鋪設聚四氟乙烯薄膜來預制裂紋，使得實驗過程中裂紋沿亞麻纖維和碳纖維層間擴展。鋪層完成后，以100∶26 的比例配置環氧樹脂和固化劑，充分攪拌后放入真空烘箱中抽取樹脂內多余空氣。使用刷子將抽取過真空的樹脂均勻、重復地涂抹于鋪設完畢的纖維布上，直至樹脂將所有纖維充分浸潤。打開熱壓機預熱，待溫度達到90 ℃時，將浸潤完畢的纖維布放入熱壓機模具內，不加壓保溫20 min；再施加5 MPa 壓力，溫度升至120 ℃保溫保壓2 h，關閉設備。待模具完全冷卻后，泄去壓力，開模取出復合材料。使用水切割設備將復合材料切成DCB 和ENF 試樣所需尺寸。最終在DCB 試樣存在預裂紋一側的端部上下表面粘接加載鉸鏈，并控制加載點至預裂紋端部距離為50 mm，碳/亞麻纖維混雜復合材料層間斷裂韌度測試試樣制備完成（纖維體積分數59.15%）。以相同樹脂體系和固化工藝制得在中間層存在預裂紋的碳纖維增強復合材料試樣（纖維體積分數為60%），用于性能測試對比。

圖1 層間斷裂韌度測試試樣制備流程圖Fig. 1 Fabrication flowchart of interlaminar fracture toughness test specimens

1.3 測試與表征方法

1.3.1 Ⅰ型層間斷裂韌度

參考ASTM D5528 標準，通過DCB 實驗進行測試。試樣尺寸為180 mm×20 mm×4 mm，其中預裂紋長度為50 mm。實驗加載速度為2 mm/min。最終Ⅰ型層間斷裂韌度GⅠc采用修正梁理論按式（1）進行計算，結果取五組測試的平均值。

式中：P為載荷；δ為加載點位移；b為試樣寬度；a為裂紋擴展長度；Δ為裂紋修正系數。

1.3.2 Ⅱ型層間斷裂韌度

根據ASTM D7905/D7905M 標準，通過ENF實驗測試復合材料的Ⅱ型層間斷裂韌度GⅡc。試樣尺寸為180 mm×20 mm×4 mm，預裂紋長度為55 mm。實驗加載速度為1 mm/min。GⅡc計算公式如式（2）所示，結果取五組測試的平均值。

式中：Pmax為試樣破壞前最大載荷；m為柔度校正系數；a0為初始裂紋長度；B為試樣寬度。

1.3.3 斷裂表面微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡觀察復合材料DCB 和ENF 實驗試樣斷裂表面微觀形貌。樹脂基復合材料基本不導電，觀察前需預先將材料觀察面進行噴金處理，切割尺寸為10 mm×10 mm 的試樣，用導電膠粘在電鏡支座上，然后將試樣放入掃描電子顯微鏡中觀察微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 Ⅰ型層間斷裂韌度

圖2 為碳纖維增強復合材料（CFRP）和碳/亞麻纖維混雜復合材料（CFFRP）的DCB 實驗載荷與位移關系曲線和R曲線。 CFRP 在裂紋擴展過程中的Ⅰ型層間斷裂韌度為0.37 kJ/m2，CFFRP 的為1.29 kJ/m2，約為CFRP 的3.5 倍。CFFRP 斷裂韌度提高的原因可通過觀察分層破壞試樣（圖3）和斷裂表面SEM 照片（圖4）得出。

圖2 CFRP 和CFFRP 復合材料 （a） DCB 實驗載荷與位移關系曲線； （b） Ⅰ型R曲線Fig. 2 CFRP and CFFRP composites （a） load-displacement curves obtained during DCB tests； （b） resistance curve （Rcurve）of Ⅰtype

圖3 復合材料層DCB 破壞間斷裂試樣 （a）CFRP；（b）CFFRP Fig. 3 Delaminated specimens by DCB test （a） CFRP ； （b） CFFRP

圖4 復合材料Ⅰ型層間斷裂破壞表面SEM 照片 （a）CFRP；（b）CFFRP；（c），（d）CFFRP 亞麻層；（e）CFFRP 碳纖層Fig. 4 SEM photos of surface after the fracture by DCB test （a） CFRP composites; （b） CFFRP composites; （c）, （d） flax fiber layer in CFFRP ; （e） carbon fiber layer in CFFRP

圖3 為復合材料層DCB 破壞間斷裂試樣。CFRP 層間斷裂表面較為平滑（圖3（a）），CFFRP的斷裂表面比較粗糙，可明顯看到有部分亞麻纖維被剝離出來，并有部分亞麻纖維黏附于碳纖維層（圖3（b））。由此可以看出CFFRP 的Ⅰ型層間破壞機理要比CFRP 的復雜得多。

圖4 為復合材料Ⅰ型層間斷裂破壞表面SEM 照片。CFRP 復合材料Ⅰ型層間斷裂面碳纖維直接從環氧基體中剝離，表面比較均勻、光滑，只有少量的環氧樹脂碎片附著于纖維表面（圖4（a）），表明碳纖維和環氧樹脂之間的界面結合較弱，造成CFRP 復合材料Ⅰ型層間斷裂韌度較低。

單向碳纖維布是由大量自身表面較為光滑，直徑相對均勻的碳纖維單絲平行紡織而成，其整體結構的差異性不大。而亞麻紗線由于受到單纖維加捻、纖維直徑不均一、纖維多層級結構等因素的影響，導致其結構呈現出紗線、纖維以及微纖絲共存的多枝狀結構特征。這種不規則的多尺度結構導致碳/亞麻纖維混雜復合材料的層間破壞失效機理相比碳纖維增強復合材料復雜得多。

從CFFRP 復合材料的Ⅰ型層間斷裂表面SEM 照片中可以看到，層間裂紋擴展路徑上下的亞麻纖維層和碳纖維層之間發生了亞麻纖維與碳纖維之間的纖維纏結（圖4（b）），以及亞麻纖維與亞麻纖維之間的纏結（圖4（c）），這些均是由亞麻纖維這種多枝狀的結構所導致。而且纖維的纏結也使得部分亞麻纖維被拉到面外為材料Z方向進行增強，提高層間斷裂韌度[8]。此外，高強度的碳纖維在分層時基本上不發生斷裂破壞，偶爾也只會有部分纖維脫落；而亞麻纖維是由更短的基礎纖維組成，長度和直徑都不規則，這種不規則的幾何結構造成纖維不均勻的斷裂面，分層破壞時的亞麻纖維更容易被拔出[13]。可以看到單根亞麻纖維的斷裂、纖維剝離和偏轉（圖4（d））。另外，亞麻纖維層內相對弱的結合性能導致纖維內細胞纖維壁層的裂開和剝落，并伴隨大量從S2 層剝離的微纖絲（圖4（e））。這種情況也會提高材料的層間斷裂韌度，因為裂紋的擴展路徑會延伸至纖維和纖維束之間[14]，而亞麻內部細胞纖維壁層的開裂，使得裂紋增加了更多不同層間擴展的路徑，有更多的斷裂面。而且細胞纖維壁層開裂而導致微纖絲之間的摩擦也會消耗更多的能量[15]。上述分層機制使得亞麻纖維抵抗破壞的能力提升[16]，導致分層時大部分的能量通過上述機制而被吸收[13]，所以CFFRP復合材料的Ⅰ型層間斷裂韌度比CFRP 復合材料的高出許多。

2.2 Ⅱ型層間斷裂韌度

通過ENF 實驗測得CFRP 復合材料的GⅡc值為0.88 kJ/m2，CFFRP 復合材料的GⅡc值為1.09 kJ/m2，比CFRP 復合材料的高23.86%。

圖5 為復合材料Ⅱ型層間斷裂表面SEM 照片。從圖5（a）可以看出，碳纖維表面比較光滑和干凈，表明碳纖維和環氧樹脂之間的界面結合性能相對較弱，導致相對較低的Ⅱ型層間斷裂韌度。此外，在單根碳纖維之間能看到在剪切載荷下，環氧樹脂呈典型的梳毛狀破壞。

圖5 復合材料Ⅱ型層間斷裂表面SEM 照片 （a）CFRP；（b）CFFRP 亞麻層；（c）CFFRP 碳纖層Fig. 5 SEM photos of surface after the fracture by ENF test （a） CFRP composites; （b） flax fiber layer in CFFRP; （c） carbon fiber layer in CFFRP

在碳纖維增強復合材料層間混雜亞麻纖維之后，分層破壞后的碳纖維層表面會附著一些亞麻微纖絲（圖5（b））；在亞麻纖維層可以看到在剪切力作用下，很多亞麻壁層纖維被撕裂（圖5（c）），并且互相之間或者和微纖絲纏結在一起。層間混雜亞麻纖維之后，異相界面之間碳纖維和亞麻纖維之間的相互纏結、亞麻纖維自身之間的纏繞、剪切應力作用下亞麻纖維壁層劈裂造成的纖維壁層之間以及微纖絲之間的纏結，提升了復合材料的Ⅱ型層間斷裂韌度。

3 結論

（1）碳/亞麻纖維混雜復合材料的Ⅰ型層間斷裂韌度為1.29 kJ/m2，約為碳纖維增強復合材料的（0.37 kJ/m2）的3.5 倍。

（2）碳/亞麻纖維混雜復合材料的Ⅱ型層間斷裂韌度為1.09 kJ/m2，與碳纖維增強復合材料的（0.88 kJ/m2）相比提高了23.86%。

（3）碳/亞麻纖維混雜復合材料的層間增韌機理為：亞麻纖維的多尺度特征導致層間斷裂模式更為復雜，一定程度上減緩了界面分層擴展。