纖維增強復合管材的力學性能研究

王燁然 劉君妹,2 鄭美悅 賈立霞,2 陳振宏,2

（1.河北科技大學，河北石家莊， 050018；2.河北省紡織服裝技術創新中心，河北石家莊， 050018）

輕質紡織路面材料又稱軟體路面［1］，是由中空織物（界于平面織物與三維之間）和非金屬加強筋（以下簡稱棒材）構成，其中棒材對中空織物起著支撐的作用，且對軟體路面的整體性和結構強度影響較大。軟體路面作為一種移動式軟體防淤陷應急非金屬路面，為保障路段的完好，改善地面條件［2］，將其廣泛應用于道路工程保障、軍用橋梁器材配套及機場應急搶修保障等多方面［3］。

在棒材的研究中，玻璃鋼［4］作為中空織物的支撐材料已經得到了產業化，但在應用過程中還存在一些問題，其所具有的沉重、易脆、抗剪切性差等缺點，使得其在一些應用中受到限制。為了實現棒材的輕量化和高強度，本研究選用碳纖維、滌綸和高強聚乙烯纖維作為編織材料，制備中空的管材，代替傳統棒材的作用，探究不同增強材料和編織角度對復合管材三點彎曲性能和橫向壓縮性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗選用江蘇恒力化纖股份有限公司生產的高強低伸型工業滌綸（以下簡稱滌綸）、浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司生產的高強聚乙烯纖維以及東莞市索維特特殊線帶有限公司生產的碳纖維，其性能如表1 所示。復合試劑包括環氧樹脂［E?44（6101）］和固化劑（低分子聚酰胺樹脂650）。

表1 纖維的性能

1.2 復合管材的制備

管狀增強體的編織采用24 錠2 頭的KBL?24?2?90 型二維編織機（徐州恒輝編織機械有限公司），轉速400 r/min，節距5.44 cm、3.14 cm 和1.81 cm，得到30°、45°和60°這3 種不同的編織角度，選用1×1 菱形結構進行三層編織。所得預制件與樹脂進行復合，得到復合管材，具體如圖1所示。

圖1 復合管材的制作過程

2 復合管材性能測試

考慮到復合管材在軟體路面中的支撐作用，以及管材在最終應用領域中承受載荷的情況，對3 種不同纖維增強的復合管材進行三點彎曲和橫向壓縮性能的測試。

按照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，選用UTM5105 型電子萬能試驗機進行三點彎曲性能測試。試樣長度為8 cm，測試速度為10 mm/min。每種復合管材測試5 個樣品，取平均值。

按照GB/T 5352—2005《纖維增強熱固性塑料管平行板外載性能試驗方法》，選用UTM5105型電子萬能試驗機進行橫向壓縮性能測試，試樣長度為4 cm，加載速度為2 mm/min，加載位移為5 mm。每種復合管材測試5 個樣品，取平均值。

3 測試結果分析

3.1 復合管材彎曲性能的測試分析

不同增強纖維、不同編織角度的復合管材在三點彎曲過程中，最大破壞載荷、最大彎曲彈性模量和載荷?位移曲線以及對應的破壞情況如圖2和圖3 所示。

圖2 各復合管材的最大破壞載荷和最大彎曲彈性模量均值

3.1.1增強纖維材料

圖3中的載荷?位移曲線顯示，碳纖維、滌綸和高強聚乙烯纖維3 種不同增強材料的復合管材在承受彎曲載荷時，呈現相同規律的變化曲線，加載前期位移與加載載荷呈線性關系增長；當達到最大載荷值之后，載荷急速下降，材料發生損壞，碳纖維復合管材表現出嚴重的脆性斷裂。圖3 體視顯微鏡圖像顯示，碳纖維復合管材出現纖維的斷裂、樹脂的斷裂以及斷裂處纖維與樹脂的開裂，材料完全失效；而滌綸和高強聚乙烯纖維復合管材，由于纖維本身韌性較高，尤其高強聚乙烯纖維本身優異的抗剪切性能，使得其復合管材的韌性高于碳纖維復合管材，在加載后期只出現樹脂的分層和開裂，而沒有纖維的斷裂損傷。結合圖2（a）的破壞載荷值，碳纖維復合管材在加載過程中通過以多種破壞的形式對加載能量進行轉化吸收，進而提高加載載荷；而滌綸和高強聚乙烯纖維的斷裂強度較碳纖維低，所得復合管材韌性較高，剛性較低，加載過程中呈現樹脂的開裂和加載區樹脂與增強體纖維的分層破壞形式，導致材料整體性破壞而提前失效，降低了承載載荷的最大值。從整體表現來看，高強聚乙烯纖維的斷裂強度雖遠高于滌綸，但由于其與樹脂的結合界面不如滌綸的好，影響了復合材料最終的力學性能。

圖3 彎曲性能測試的曲線圖及體視顯微鏡圖

對比3 種復合管材的彎曲彈性模量［圖2（b）］，發現3 種材料的彎曲彈性模量的變化趨勢不同。據文獻報道，玻璃纖維復合管材彈性模量與編織角度的變化趨勢為30°＞45°＞65°，而纖維素纖維復合管材的彈性模量與編織角度的變化 趨 勢 為65°＞45°＞55°［5］。本 試 驗 測 試 結 果 顯示，在編織角度為30°時，碳纖維復合管材和滌綸復合管材具有最大的彈性模量，與上述玻璃纖維復合管材的結果相似。而在編織角度為60°時，高強聚乙烯纖維復合管材具有最大的彈性模量，也與上述纖維素纖維復合管材的結果相似，因此可以說明復合管材彎曲彈性模量與增強體材料的本身性質和編織角度有關。

3.1.2編織角度

在三點彎曲的過程中，加載頭對復合管材有向下的加載力，且編織方向為主要的承載方向，隨著加載頭位移的增加，管材上表面承受彎曲向內的擠壓，下表面承受拉伸向外應力，將不同編織角度的復合管材的軸向展開得到圖4。

圖4 不同角度編織管材的展開圖及加載示意圖

由圖4 可知，30°編織角度在編織軸向的分力最大，也就是纖維承受擠壓和拉伸方向的分力最大，所以復合管材承受載荷能力最好，其次是45°，60°承受加載能力最小。其結果與圖3 的結果相同，因此編織角度對管材的承載能力具有較大的影響。

3.2 復合管材橫向壓縮性能的測試分析

將3 種不同編織角度、不同纖維的復合管材分別進行橫向壓縮性能測試，并進行了載荷?位移曲線分析，結果如圖5 所示。壓縮試驗設置位移為5 mm，在4.84 mm 取得復合管材的最大承載載荷。

圖5 復合管材在橫向加載過程中的壓縮性能曲線

3.2.1增強纖維材料

圖5表明，碳纖維復合管材的抗壓縮性能明顯優于滌綸和高強聚乙烯纖維增強的復合管材，在加載初期碳纖維復合管材具有較大的載荷增長速率，因為碳纖維本身的剛度較大；而滌綸復合管材和高強聚乙烯纖維復合管材在初始階段載荷增長速率較小，說明管材的剛度較小。

由于3 種纖維增強的管材內徑（7 mm）較小，在橫向壓縮加載過程中容易出現側向擠壓，圖5（a）顯示碳纖維復合管材的屈服變形45°＜60°＜30°，45°的斜率最大，因此可以說明編織角度為45°的碳纖維復合管材具有較大的剛度。由圖5（a）還可知，45°和60°編織角的碳纖維復合管材在彈性變形階段載荷隨著位移的增加而增加，到達最高點時超出碳纖維復合管材的承載能力使得管材出現破壞，導致位移達到3.5 mm 時出現最終失效狀態（纖維和樹脂的脆性斷裂），而在3.5 mm～5 mm 之間載荷趨于上升狀態是由試驗中對失效的復合管材進行擠壓所導致。圖5（b）和圖5（c）的載荷?位移曲線中，滌綸和高強聚乙烯纖維復合管材由于材料本身模量較低，柔韌性較好，在出現屈服點之后，繼續加載，材料沒有出現特別明顯的加載失效。

3.2.2編織角度

圖5曲線顯示，碳纖維、滌綸和高強聚乙烯纖維材料復合管材具有相同的變化趨勢，隨著編織角度的增大，其橫向承載能力越大。這是因為在壓縮測試過程中，管材整體承受壓頭向下的載荷，承載主體為徑向增強纖維，隨著編織角度的增大，增強纖維徑向承載的分力增大，復合管材整體承載能力增大。其次，編織角度越小，纖維沿軸向的分力越大，壓縮加載時，材料各向異性程度越高，不利于材料整體承載。

4 結論

（1）纖維材料對纖維增強樹脂復合管材的性能有較大的影響。在進行不同的加載試驗時，碳纖維模量較高、剛度大、強度高，其加工而成的復合管材在測試過程中具有較大的承載能力和抗壓縮能力。

（2）編織角度對復合管材彎曲性能有顯著影響。編織角度越小，在軸向的分力越大，承載性能越好，即30°＞45°＞60°。

（3）編織角度對復合管材壓縮性能亦有明顯影響。編織角度越大，在徑向的分力越大，承載性能越好，即60°＞45°＞30°。

（4）將滌綸復合管材和高強聚乙烯纖維復合管材進行比較，發現前者的承載能力要高于后者。在后期的研究中將對高強聚乙烯纖維進行等離子體表面改性，以期改善復合材料的界面性能，以提高復合材料的機械性能。