鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的性能分析

時娟娟 李小紅 金禮月 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.安徽銘瑞新材料科技有限公司，安徽滁州，239000）

近年來，隨著人們對安全問題的重視，電動車頭盔殼體所用材料從塑料、金屬、錦綸、玻璃纖維等材料逐漸轉向了芳綸復合材料、超高分子量聚乙烯纖維復合材料、高強高模碳纖維復合材料等，不但有效降低了頭盔的重量，而且提高了頭盔的防護性能［1］。

王鳳德等通過對比超高分子量聚乙烯纖維、PBO 纖維和對位芳綸纖維的強度及其優缺點，認為對位芳綸的綜合性能最優，其具有輕質、高強高模、耐高溫、高韌性、耐沖擊等優良性能，是個體防護裝備的首選材料［2］。頭盔殼體用復合材料增強織物中，一維的主要有單向織物［3］。二維機織物最常用的是芳綸1414 H -shell 系列、ST 系列和HT 系 列 的平紋及方平織物［4］。KANG T J 等 通過測試發現，與平紋織物相比，方平織物增強復合材料的抗沖擊性能更優，其主要原因是方平織物中的經緯紗交織點比平紋織物少，更易于能量的傳播［5］。羅岳文對超高分子量聚乙烯緯編針織復合材料的力學性能進行了研究，結果發現8 層針織復合材料的抗沖擊性能最好［6］。孫穎等介紹了一種薄層正交三向織物，其抗沖擊性能比單向織物、平紋織物更優異，應用于復合材料頭盔殼體增強織物可以減少鋪層數和鋪層缺陷［7］。謝婉晨通過對比不同層數角聯鎖織物與平紋織物的沖擊性能發現，5 層角聯鎖織物具有較好的抗沖擊性能［8］。張國利等探究了不同鋪層角度對碳/芳綸混雜復合材料頭盔的力學性能，結果表明在0°鋪層時試樣的拉伸強度和模量最大［9］。王心淼等利用落錘沖擊裝置對引入±45°斜向紗的多軸向三維機織復合材料和三維正交機織復合材料進行了低速沖擊測試，結果發現多軸向三維機織物的抗沖擊性能較好，主要原因是斜向紗的引入使三維織物面內的紗線排列方向增多，復合材料在沖擊過程中沖擊能量分散在各方向的纖維上，使得材料可承受更高的低速沖擊載荷能力［10］。目前，對紡織復合材料頭盔的研究相對較少，頭盔殼體預制件的制備多采用裁剪鋪層的方式，存在效率低、尺寸穩定性差等問題，限制了紡織復合材料頭盔的發展。沖擊試驗主要是落錘沖擊，對其擺錘沖擊、碰撞機理以及成型工藝參數對頭盔沖擊性能的影響還有待進一步探究。

本研究以芳綸1414 織物為增強體，環氧樹脂體系為基體，通過真空輔助成型工藝制備鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料，重點研究復合材料彎曲性能、沖擊性能及其破壞形貌，分析其破壞機理，并探究含膠量和織物層數對其鋪層芳綸1414安全頭盔用復合材料彎曲性能和沖擊性能的影響，為復合材料頭盔殼體的研發奠定一定的理論基礎。

1 試驗部分

1.1 原材料與設備

采用的芳綸1414 平紋織物經紗和緯紗線密度均為115 tex，織物經密和緯密均為90根/10 cm，織物單位面積質量200 g/m2。環氧樹脂E-51，固化劑聚醚胺230。

采用的設備有旋片式真空泵、Instron 5969H型萬能材料試驗機和擺錘式沖擊試驗機。

1.2 復合工藝

環氧樹脂E-51 和聚醚胺230 按4∶1 的質量比組成樹脂體系，利用真空輔助成型工藝在4 種不同含膠量條件下制備10 層、15 層、20 層的鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料。真空輔助成型工藝裝置如圖1 所示。 具體成型工藝方法參考文獻［11］。

圖1 真空輔助成型工藝裝置圖

1.3 彎曲性能

鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料彎曲性能測試參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》［12］。采用Instron 5969H 型萬能材料試驗機對試樣進行彎曲性能的測試。樣品規格120 mm×15 mm，試驗跨距90 mm，測試速度2 mm/min，每種樣品測5 次，結果取平均值。

1.4 沖擊性能

鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料沖擊性能測試參照GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》［13］。采用ZBC8501-C 型擺錘式沖擊試驗機對試樣進行沖擊性測試。 樣品規格80 mm×10 mm，擺錘沖擊能量22 J，每種樣品測5 次，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 彎曲性能

2.1.1 彎曲破壞形貌

鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料彎曲載荷-位移曲線和彎曲破壞形貌如圖2 和圖3 所示。

圖2 復合材料的彎曲載荷-位移曲線

圖3 復合材料的彎曲破壞形貌

曲線為含膠量42% 的10 層芳綸1414 織物的5 次試驗。由圖2 的ab區間可以看出，彎曲載荷隨著位移的增加呈現先線性增加、后非線性增加的趨勢，試驗過程中可以看到材料部分彎曲，且上下層樹脂有碎裂現象。圖2 的b點為彎曲載荷達到最大值，試驗中材料發生破壞。彎曲載荷隨著位移的增加呈現先緩慢下降、后急劇下降的趨勢，如圖2 的bc區間和cd區間，隨后材料徹底被破壞，彎曲過程結束。此時，材料出現了不可回復的“V”形形貌，如圖3（c）所示。從圖3（a）中能看到材料表面壓頭處有白色壓痕；從圖3（b）中能看到材料下表面有部分樹脂碎裂、纖維斷裂。這是由于材料上表面壓應力增加，下表面拉應力增加，使纖維與基體界面破壞；從材料側面看，下表面邊緣處還出現了微小分層，如圖3（c）所示。

2.1.2 彎曲強度

含膠量、織物層數對鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料彎曲強度的影響測試結果如圖4 所示。由圖4 可知，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的彎曲強度隨著含膠量的增加呈先增加后減小的規律。這是因為，環氧樹脂與固化劑發生交聯反應形成三維網狀結構的環氧樹脂大分子，使纖維與樹脂之間的界面黏結能力增強，復合材料表現出優異的穩定性，因此材料的彎曲強度增大；但含膠量太大，反而會使彎曲強度下降，因為環氧樹脂屬于熱固性樹脂，過大會使得復合材料的韌性下降，造成材料的脆性斷裂。含膠量在41% 和42% 時，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的彎曲強度較好。當織物層數為10 層時，最大彎曲強度為237.08 MPa，此時含膠量為41%；織物層數為15 層時，最大彎曲強度為273.67 MPa，此時含膠量為42%；織物層數為20 層時，最大彎曲強度為290.05 MPa，此時含膠量為42%。說明鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的彎曲強度隨著織物層數的增加而增大，這是因為織物層數的增加使單位體積纖維含量增加，更多的纖維、織物與樹脂界面結合，同時材料厚度增大使復合材料剛度增大，因此復合材料的彎曲強度隨著織物層數的增大而增大。

圖4 復合材料彎曲強度與含膠量、織物層數的關系

2.2 沖擊性能

2.2.1 沖擊破壞形貌

鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料沖擊破壞形貌如圖5 所示。 其中，復合材料為含膠量42% 的10 層芳綸1414 織物的5 個試樣。由圖5可以看出，試樣經22 J 的能量沖擊后，破壞較為嚴重，且破壞形式較為復雜。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，試樣正面和背面均出現了樹脂碎裂、纖維斷裂和纖維抽拔現象，破壞區域主要集中在被擺錘沖擊韌接觸的區域。由圖5（c）和圖5（d）可以看出，沖擊正面與沖擊背面纖維斷裂、抽拔現象更加嚴重，邊緣處樹脂與纖維脫黏，試樣中間有分層現象，分層破壞的區域較大。

圖5 復合材料的沖擊破壞形貌

2.2.2 沖擊強度

含膠量、織物層數對鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料沖擊強度的影響如圖6 所示。

由圖6 可知，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的沖擊強度隨著含膠量的增加呈現先增加后減小的規律。這是因為，環氧樹脂與固化劑發生交聯反應形成三維網狀結構的環氧樹脂大分子，使纖維與樹脂之間的界面黏結能力增強，因此復合材料表現出優異的抗沖擊性能；但含膠量太大，反而會使沖擊強度下降，因為環氧樹脂屬于熱固性樹脂，過大會使得復合材料的韌性下降，造成材料的脆性斷裂。含膠量在42% 時，鋪層芳綸1414安全頭盔用復合材料的沖擊性能最好。當織物層數為10 層時，最大沖擊強度為276.49 kJ/m2，此時含膠量為42%；織物層數為15 層時，最大沖擊強度為344.31 kJ/m2，此時含膠量為42%；織物層數為20 層時，最大沖擊強度為332.88 kJ/m2，此時含膠量為42%。說明鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的沖擊強度隨織物層數的增加先增大后減小，這是因為層間性能是決定沖擊韌性的關鍵因素，但20 層時鋪層數增多，芳綸1414 與環氧樹脂基體的結合較薄弱，使得層間性能下降，復合材料的增強纖維黏結不牢，復合材料層間樹脂不能將剪切應力有效傳遞到芳綸纖維上就會發生局部失穩破壞失效，層間剪切強度不足，使材料的沖擊韌性下降，因此復合材料沖擊性能下降［14-15］。沖擊強度離散值不穩定，這是由于真空輔助成型工藝的不穩定及測試等客觀原因造成的。

圖6 復合材料沖擊強度與含膠量、織物層數的關系

3 結論

（1）在彎曲載荷作用下，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的破壞主要集中在加載壓頭處，彎曲破壞模式主要是分層。

（2）鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的彎曲強度隨著含膠量的增大呈現先增大后減小，隨著織物層數的增大而增大；含膠量在41% 和42%時，材料的彎曲強度較好。

（3）在22 J 沖擊載荷作用下，鋪層芳綸1414安全頭盔用復合材料的破壞嚴重，破壞區域較大，沖擊破壞模式主要是纖維斷裂和分層。

（4）鋪層芳綸1414 安全頭盔用復合材料的沖擊強度隨著含膠量的增大先增大后減小；織物層數為15 層，含膠量在42% 時，材料的沖擊性能最好。