加捻對碳纖維增強三維機織復合材料力學性能的影響研究＊

周海麗，黃 建，孫方方，李 超，張立泉

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

加捻是纖維沿著軸向回繞，使纖維產生預應力，外層纖維在承受張力作用的同時也對內層纖維產生向心壓力，促使纖維相互抱緊擠壓，增加了纖維間的滑動阻力和緊密度［1~2］。加捻在一定程度上提高纖維絲的斷裂強力［3~4］，且加捻紗束在拉伸的過程中，捻回角和直徑均逐漸減小，因此紗束的斷裂伸長率也會有所提高，有助于復合材料抗沖擊性能的提升。但當對紗線進行加捻時，纖維扭曲使得單絲內的分子鏈受到剪切作用，易使纖維發生軸向剪切失效，造成纖維損傷，因此加捻也有使碳纖維強度降低的可能。王建［5］等通過對滌綸長絲進行加捻發現滌綸長絲斷裂強力隨捻度的增加先增后減；朱進忠［6］等分析玻璃纖維（GF）加捻后發現GF斷裂強力隨捻度的增加先升后降，并存在臨界捻度，且在臨界捻度上能最大程度提高GF斷裂強力；煙志恒［4］等探索了加捻對紗線力學性能的影響規律，也發現紗線捻度對紗線拉伸強度存在臨界值；關洪濤等［7］研究加捻對T800碳纖維拉伸性能的影響時發現：加捻后再浸膠的加捻方式不可避免地導致碳纖維拉伸性能的降低，且捻度越高，性能下降越多，但是采用浸膠后加捻的方式有助于改善T800碳纖維的拉伸性能，合適的捻度可使其拉伸強度提高5%，斷裂延伸率提高10%，通過對T800碳纖維干紗加捻的研究基本確定了T800碳纖維的臨界捻度為15 T/m。周濤［8-11］等研究表明碳纖維加捻可有效改善復合材料的性能。閆小兵等［12］進行碳纖維長絲束加捻研究，研究結果表明：當單紗捻度在15~30 T/m存在某一最合適的捻度值，使得股線斷裂強力最大，且反向合股加捻可以提高碳纖維的斷裂伸長率，單紗及股線捻度與股線的斷裂伸長率呈正比。綜上所述，加捻對高性能碳纖維既有正面效應，也有負面效應，本文針對國產CCF800H型碳纖維，研究加捻工藝對紗線及對三維機織復合材料性能影響研究，從而優選適于提高復合材料性能的碳纖維加捻工藝。

1 實驗部分

1.1 原材料

碳纖維：CCF800H-12K，威海拓展；

浸膠紗：RIM036/RIMH039環氧樹脂制備的試驗件，hexion公司。

1.2 設備與儀器

萬能試驗機：Instron 5820，INSTRON公司。

1.3 加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能測試

本次實驗碳纖維加捻方式為股線捻，捻向采用Z-S，其中股線捻度設定為單紗捻度的1.414倍，加捻紗束單紗捻度值分別確定為10 T/m、15 T/m、30 T/m。采用浸膠紗拉伸試驗分別測試加捻紗和非加捻紗的拉伸性能，試驗方法按照ASTM D4018-17連續絲碳纖維和石墨纖維性能的標準測試方法執行。通過拉伸試驗獲得不同捻度的碳纖維紗束拉伸模量、強度及斷裂伸長率等力學性能，以此優選碳纖維紗線的加捻工藝。

1.4 加捻紗束三維機織復合材料力學性能測試

1.4.1 三維機織復合材料制備

根據浸膠紗拉伸試驗結果優選一種捻度碳纖維進行三維機織預制體制備，組織結構為三維角聯鎖結構，如圖1所示。根據織造需求僅經紗采用加捻碳纖維，緯紗仍為無捻碳纖維，同時為了對比加捻纖維復合材料和無捻纖維復合材料力學性能差異，采用相同結構參數制備經緯紗均為無捻碳纖維的三維機織預制體，所采用的預制體工藝參數如表1所示。采用RTM復合成型技術進行三維機織復合材料板塊制備，樹脂采用環氧樹脂CYCOM PR 520，根據試驗件尺寸進行復合材料切割，完成試驗件制備。

圖1 三維機織結構示意圖

表1 編織工藝參數表

1.4.2 三維機織復合材料力學性能測試

針對加捻紗束制備的三維機織復合材料開展經向拉伸、緯向拉伸和面內剪切試驗研究，得到加捻紗束三維機織復合材料的經緯向拉伸模量、拉伸強度以及面內剪切模量和強度，并根據面內剪切G12和G21測試結果分析碳纖維加捻工藝是否對三維機織復合材料面內剪切性能的對稱性產生影響，本節所涉及的試驗類型及標準如表2所示，本研究由于加捻紗線用于經紗，因此在試驗件策劃時以經向性能為主，試驗件數量偏多。

表2 加捻紗束三維機織復合材料力學性能試驗矩陣

2 結果與討論

2.1 加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能測試結果

測試碳纖維拉伸性能前要對紗線進行浸膠紗制樣，浸膠紗試樣見圖2。制成浸膠紗后上機進行測試，每組測試7個試樣，選取6組有效數據，測試得到的浸膠紗拉伸性能結果如表3所示。

圖2 浸膠股線試樣

表3 加捻紗束碳纖維浸膠紗拉伸試驗結果

由測試結果可知，合股加捻后碳纖維的拉伸性能均低于無捻紗線，加捻碳纖維隨著捻度呈現先增長后降低的趨勢。其中單紗捻度15 T/m時，股線拉伸各項指標均為最大值，強度為4 870 MPa，模量為278 GPa，伸長率為1.62%。且由表4可知，單紗捻度15 T/m時，股線拉伸強度、模量、斷裂伸長率的CV值均相對較低，可以說明該條件下的加捻股線一致性較高。將單紗捻度15 T/m性能與無捻復絲拉伸性能對比，得到如下數據，見表4。

表4 加捻股線與無捻復絲拉伸性能對比

由表4可知，單紗捻度15 T/m時，拉伸模量損失率1.4%，拉伸強度損失率8.3%，斷裂伸長損失率6.4%。

2.2 加捻紗束三維機織復合材料力學性能測試結果

根據浸膠紗拉伸試驗結果確定采用15 T/m的捻度來制作加捻紗束三維機織復合材料，且僅經向采用加捻紗束，緯向紗束不加捻。

2.2.1 拉伸試驗

加捻紗束三維機織復合材料拉伸力學性能測試所采用的試驗設置及破壞后的拉伸試驗件如圖3所示。

圖3 拉伸試驗設置及破壞后的拉伸試驗件

加捻紗束三維機織復合材料經向和緯向的拉伸模量和斷裂強度分別如表5所示，經紗采用單紗捻度15 T/m的加捻工藝后，三維機織復合材料的經向拉伸模量為58.22 GPa，斷裂強度為555.58 MPa，相應的緯向數據分別為86.77 GPa和953.25 MPa。特別說明由于試驗件Twist-JT-01數據存儲設置問題，沒能獲得有效應以應變曲線，因此無法獲得拉伸模量值，但斷裂強度可以根據斷裂載荷計算獲得。

表5 加捻紗束三維機織復合材料拉伸力學性能測試結果統計

2.2.2 面內剪切試驗

圖4為加捻紗束三維機織復合材料面內剪切性能測試所采用的試驗件和設置。面內剪切力學性能測試結果統計見表6，由表中可以看出，面內剪切試驗件的剪切模量和剪切強度均表現出了較小的非對稱線性，在考慮試驗離散性的情況下，可以認為加捻紗束沒有對三維機織復合材料面內剪切性能的對稱性產生影響。

圖4 面內剪切試驗設置及試驗件

表6 加捻紗束三維機織復合材料面內剪切力學性能測試結果統計

2.3 加捻紗束和無捻紗束三維機織復合材料力學性能對比

采用相同的試驗方案進行相同編織結構和相同編織工藝參數的無捻紗束三維機織復合材料經緯向拉伸試驗和面內剪切試驗，其中與加捻紗束三維機織復合材料經緯向拉伸試驗的測試結果對比如表7所示。經過對比分析可以看出經紗采用加捻紗線之后，經向的拉伸模量和斷裂強度均較無捻紗束復合材料的相同力學性能有所降低，其中經向拉伸模量降低較少，僅減小了6.62%，但是經向斷裂強度降幅較大，達到了21.98%；而相應的緯向力學性能卻均有所提高，其中緯向拉伸模量增加了2.95%，而緯向斷裂強度增加了約14.26%。

表7 加捻紗束和無捻紗束三維機織復合材料拉伸力學性能對比

加捻紗束和無捻紗束三維機織復合材料面內剪切力學性能對比如表8所示，表中數據可以看出經紗加捻前，面內剪切具有非常好的對稱性，剪切模量僅有0.01 GPa的差異，剪切強度的差異也僅有0.93 MPa；經紗加捻后，面內剪切性能的對稱性較無捻紗束有一定降低，剪切模量的差異達到了0.34 GPa，剪切強度的差異較小。另外，不論從剪切模量、剪切強度或者是試驗測試的離散系數等數據分析，經向加捻紗束對三維機織復合材料的面內剪切性能產生的影響較小，剪切模量幾乎沒有變化，剪切強度僅增加了約2.74%。

表8 加捻紗束和無捻紗束三維機織復合材料面內剪切力學性能對比

3 結論

本文針對加捻工藝對三維機織復合材料力學性能的影響，開展了加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能試驗研究，優化加捻工藝以減少加捻對于紗束力學性能的影響。采用優化后的加捻工藝制備三維機織復合材料，對比加捻紗束與無捻紗束三維機織復合材料力學性能，得出如下結論：

（1）加捻碳纖維股線拉伸性能隨著捻度增加整體先增后減，存在臨界值。

（2）采用股線Z-S捻向、單紗捻度為15 T/m，股線與單紗保持相同捻回角時，股線的拉伸性能最優，且各性能指標離散系數均最低。

（3）經紗采用單紗捻度為15 T/m加捻紗線之后，經向的拉伸模量和斷裂強度均較無捻紗束復合材料的相同力學性能有所降低，其中經向拉伸模量降低較少，僅減小了6.62%，但是經向斷裂強度降幅較大，達到了21.98%；而相應的緯向力學性能卻均有所升高，其中緯向拉伸模量增加了2.95%，而緯向斷裂強度增加了14.26%。

（4）經向紗束加捻對三維機織復合材料的面內剪切性能產生較小的影響。

通過以上試驗研究，可以看出碳纖維紗束加捻后主要影響紗線的拉伸性能和三維機織復合材料的經、緯向拉伸性能，對于復合材料的剪切性能影響較小。