纖維排列對玄武巖纖維復合材料拉伸性能的影響

內蒙古工業(yè)大學輕工與紡織學院， 內蒙古 呼和浩特 010080

有學者將玄武巖纖維與碳纖維、芳綸和高分子量聚乙烯纖維并稱為中國四大高技術纖維[1]。玄武巖纖維由于其具有原料豐富、性能優(yōu)異和市場需求廣泛等特點得到了快速發(fā)展，且隨著科技的不斷發(fā)展和研究的不斷深入，會在更多領域發(fā)揮作用，為我國的高性能纖維的發(fā)展和應用起到促進作用[2]。

目前，提高玄武巖纖維復合材料力學性能的途徑主要是表面處理，其方法多來源于玻璃纖維的表面處理[3]。改變增強體結構也是提高玄武巖纖維復合材料力學性能的重要途徑。Zhu等[4]通過拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)了玄武巖纖維層合板的縱向強度和模量遠大于其橫向。魏斌[5]確證了玄武巖纖維層內混雜層合板的力學性能不僅同時優(yōu)于玄武巖纖維層間混雜層合板和玄武巖纖維夾芯混雜層合板，而且與碳纖維層合板的力學性能接近，前者的性價比較高。張明星等[6]采用玄武巖纖維平紋織物和四種玄武巖纖維針織物(其組織結構分別為羅紋、雙羅紋、平針和羅紋空氣層)進行了拉伸試驗，結果表明，相對于四種玄武巖纖維針織物，玄武巖纖維平紋織物具有較高的拉伸斷裂強力和較小的拉伸斷裂伸長。魏珺儒[7]采用磁控涂層方法改進碳纖維復合材料，其界面性能得到明顯提升，隨著摻雜引入的Fe2O3/石墨烯用量的增加，界面的剪切強度可提高20.43%，碳纖維的強度也得到提升，碳纖維單絲的斷裂拉伸強度提高了23.00%。

當增強體結構發(fā)生改變后，復合材料的各種性能會產生相應的變化。在二維機織結構中，玄武巖纖維除了以平紋織物的形式存在外，還可以單軸向織物的形式存在[8]。本文分別以玄武巖纖維平紋織物(P)和玄武巖纖維單軸向織物(U)作為增強體，鋪層結構設計為PPPP、UUUU、PUPU，以E-2511-1A環(huán)氧樹脂/2511-1BT固化劑為基體(其質量比為100 ∶30)，通過真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝實現(xiàn)復合材料樣品成型，然后測試復合材料樣品的拉伸性能和纖維體積分數(shù)。為了更準確地比較復合材料樣品的拉伸性能，將其纖維體積分數(shù)統(tǒng)一為45%，通過計算得到復合材料樣品的當量拉伸斷裂強度和當量模量，分析纖維排列對復合材料樣品拉伸性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

P由相互垂直的兩個系統(tǒng)的紗線按照一定規(guī)律交織形成，其經緯向都有良好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。U由兩個方向的紗線組成，分別是0°方向(即經向)的玄武巖纖維增強紗和90°方向的滌綸捆綁紗。P和U的基本參數(shù)分別如表1和表2所示，其實物如圖1所示。

表1 P的基本參數(shù)

表2 U的基本參數(shù)

(a) P

(b) U

1.2 復合材料樣品制備

通過真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝實現(xiàn)三種不同鋪層結構(即PPPP、 UUUU、 PUPU)的復合材料樣品成型，增強體均采用同向四層鋪放?；w中E-2511-1A環(huán)氧樹脂(簡稱“樹脂”)和2511-1BT固化劑(簡稱“固化劑”)的質量比為100 ∶30。真空度為-0.095 MPa。灌注結束后放入烘箱，溫度設置為80 ℃，固化8 h，即完成復合材料樣品制備。

1.3 拉伸試驗

拉伸試驗在深圳市君瑞儀器設備有限公司的WDW-30萬能試驗機上進行。參照ASTM D 3039 ∶2000《聚合物基復合材料拉伸性能標準試驗方法》制備拉伸試驗試樣，其尺寸為250.000 mm×25.000 mm×1.000 mm。由于試樣在夾持區(qū)域容易受到損傷，為了避免此類損傷且能更好地從夾持區(qū)域傳遞載荷，分別在試樣兩端粘貼50.000 mm×25.000 mm的加強片。夾頭移動速率設定為2 mm/min，對試樣進行0°方向的拉伸試驗，取五個測試值的平均值作為試驗結果。

1.4 纖維體積分數(shù)

參照ASTM D 3171 ∶2009《復合材料組成物含量的標準試驗方法》，應用燃燒法測試復合材料試樣的纖維體積分數(shù)。首先取一定量的復合材料試樣并準確稱取其質量W0(g)，然后在450～650 ℃下灼燒，樹脂和固化劑被蒸發(fā)，稱取剩余物的質量，即復合材料試樣中的纖維質量Wf(g)，再根據(jù)式(1)和式(2)計算纖維體積分數(shù)Vf：

Wm=W0-Wf

(1)

(2)

其中：ρf——纖維密度，g/cm3；

ρm——基體密度，g/cm3；

Wm——基體質量，g。

1.5 當量拉伸性能

由于三種復合材料試樣的纖維體積分數(shù)不同，為了使試驗數(shù)據(jù)具有可比性，引入當量拉伸性能(即當量拉伸斷裂強度、當量拉伸模量及當量拉伸斷裂伸長率)的概念。

其中：Fut——拉伸斷裂強度，MPa。

同理，通過計算得到三種復合材料試樣的當量拉伸模量和當量拉伸斷裂伸長率。

2 試驗結果與分析

三種復合材料試樣0°方向的拉伸性能和當量拉伸性能測試結果見表3。

表3三種復合材料試樣0°方向的拉伸性能和當量拉伸性能測試結果

指標試樣鋪層結構PPPPUUUUPUPU最大應力/N80181506713906拉伸斷裂強度/MPa313.0555.0543.0拉伸模量/GPa5.3027.3818.765拉伸斷裂伸長率/%6.20012.3006.800纖維體積分數(shù)/%41.6144.9747.90當量拉伸斷裂強度/MPa338.5555.4510.1當量拉伸模量/GPa5.7347.3868.234當量拉伸斷裂伸長率/%5.73412.3086.388

由表3可見，三種復合材料試樣中，UUUU鋪層結構的當量拉伸斷裂強度最大，為555.4 MPa，略高于PUPU鋪層結構(510.1 MPa)，比PPPP鋪層結構(338.5 MPa)提高了64.08%；PUPU鋪層結構的當量拉伸模量最大，為8.234 GPa，比當量拉伸模量最小的PPPP鋪層結構(5.734 GPa)提高了43.60%；UUUU鋪層結構的當量拉伸斷裂伸長率最大，為12.308%，約是PPPP鋪層結構(6.705%)和PUPU鋪層結構(6.388%)的兩倍。

PPPP鋪層結構的復合材料試樣的當量拉伸斷裂強度和當量拉伸模量均最低。其原因，一是P(即玄武巖纖維平紋織物)中兩個系統(tǒng)紗線因交織而發(fā)生屈曲，而且交織得比較稀松，相鄰紗線之間的空隙大，纖維體積分數(shù)低(41.61%)，纖維又是載荷的主要承載體，進一步弱化了試樣的強度；二是紗線位于織物平面內，即使有較小外力作用在織物表面，紗線位置也會發(fā)生變化，這會給玄武巖纖維平紋織物的均勻性帶來不良影響，使得試樣中存在弱節(jié)，因此試樣的拉伸斷裂強度下降。

UUUU鋪層結構的復合材料試樣的當量拉伸斷裂強度和當量拉伸斷裂伸長率均最大。U(即玄武巖纖維單軸向織物)中玄武巖纖維紗線只鋪放在經向，它們彼此之間只有滌綸紗線(即捆綁紗)的約束作用，從纖維細度看，U的經向紗線強力明顯大于P的經緯向紗線強力。單軸向排列的玄武巖纖維紗線在捆綁紗的作用下，其位置比較固定，所以UUUU鋪層結構的尺寸穩(wěn)定性較好。另外，U中玄武巖纖維紗線之間沒有交織，其在織物面內呈伸直狀態(tài)，纖維排列方向和拉伸方向平行，而且UUUU鋪層結構的復合材料試樣的纖維體積分數(shù)(44.97%)比PPPP鋪層結構(41.61%)增加了3.36%，前者能承載載荷的纖維根數(shù)比后者多，即前者的拉伸斷裂強度高于后者。

PUPU鋪層結構的復合材料試樣的當量拉伸斷裂強度比UUUU鋪層結構略低，下降了8.16%，但前者的當量拉伸模量比后者提高了11.50%。由此可見，將P與U交替鋪放形成的PUPU鋪層結構的復合材料試樣，其拉伸性能與UUUU鋪層結構相比并未出現(xiàn)大幅度下降。玄武巖纖維平紋織物中經緯向紗線因交織而發(fā)生屈曲，而玄武巖纖維單軸向織物中紗線呈伸直狀態(tài)，其自身在0°或90°方向具有加強作用，兩者交替鋪放，結構互補，纖維體積分數(shù)有所提高，其拉伸性能也未大幅降低。與PPPP鋪層結構相比，PUPU鋪層結構的復合材料試樣的力學性能有大幅度的提高，后者的當量拉伸斷裂強度、當量拉伸模量分別提高了50.69%、 43.60%。

圖2為三種復合材料試樣0°方向的拉伸應力-應變曲線。U為玄武巖纖維單軸向織物，其0°方向為纖維排列方向，即UUUU、PUPU鋪層結構的復合材料試樣中0°方向均為纖維排列方向。對于UUUU鋪層結構的復合材料試樣，其纖維排列方向具有很高的強度，0°方向的紗線線密度明顯高于90°方向的捆綁紗和玄武巖纖維平紋織物中的紗線。因此，UUUU和PUPU鋪層結構的復合材料試樣的最大應力明顯高于PPPP鋪層結構。由圖2可知，三種復合材料試樣0°方向的拉伸應力-應變曲線具有顯著差異。三條曲線的起始段均不平滑，之后逐漸變得平滑，其主要原因是基體和增強體的斷裂存在不同時性。在拉伸初始階段，由基體承載大部分載荷；然后，拉伸過程繼續(xù)，隨著基體的不斷開裂，樹脂-纖維界面脫黏，主要載荷變?yōu)橛稍鰪婓w承載，因而曲線逐漸平滑；隨著拉伸應力繼續(xù)增大，增強體逐漸被破壞，直至試樣斷裂。UUUU鋪層結構的復合材料試樣的拉伸應力-應變曲線呈現(xiàn)出類似兩次斷裂的情況，曲線先上升，然后下降，之后再次上升，直至斷裂。此時，增強體為拉伸應力承載體，其中的部分纖維斷裂但起主要支撐作用的部分纖維未斷裂，或者纖維分層斷裂，還有部分纖維承載，繼續(xù)拉伸至纖維全部斷裂，試樣才完全失效。

圖2 三種復合材料試樣0°方向的拉伸應力-應變曲線

3 結論

本文采用玄武巖纖維平紋織物(P)、玄武巖纖維單軸向織物(U)形成不同鋪層結構作為增強體，以E-2511-1A環(huán)氧樹脂和2511-1BT固化劑(質量比為100 ∶30)作為基體，由真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝制得復合材料樣品，再進行拉伸試驗和纖維體積分數(shù)測試，探討纖維排列對其拉伸性能的影響，得到：

(1) 對PPPP、 UUUU、 PUPU鋪層結構的三種復合材料試樣沿0°方向進行拉伸試驗，結果表明UUUU鋪層結構的當量拉伸斷裂強度最大，為555.4 MPa，略高于PUPU鋪層結構(510.1 MPa)，比PPPP鋪層結構(338.5 MPa)提高了64.08%；PUPU鋪層結構的當量拉伸模量最大，為8.234 GPa，比當量拉伸模量最小的PPPP鋪層結構(5.734 GPa)提高了43.60%；UUUU鋪層結構的當量拉伸斷裂伸長率最大，為12.308%，約是PPPP鋪層結構(6.705%)和PUPU鋪層結構(6.388%)的2倍。

(2) 三種復合材料試樣的拉伸應力-應變曲線均呈線性，即隨著應變的不斷增加，應力逐漸增大。在拉伸初始階段，載荷主要由基體承載，且伴隨著樹脂開裂和樹脂-纖維界面脫黏，曲線不平滑；隨著應變的增加，載荷主要由增強體承載，曲線逐漸變得平滑，直至纖維全部斷裂。

(3) 玄武巖纖維單軸向織物本身具有單方向的加強作用，以其為增強體的復合材料試樣(即UUUU鋪層結構)的拉伸性能遠優(yōu)于以玄武巖纖維平紋織物為增強體(即PPPP鋪層結構)的復合材料試樣，但玄武巖纖維單軸向織物和玄武巖纖維平紋織物交替鋪放(即PUPU鋪層結構)形成的復合材料試樣的拉伸模量得到很大提高。由此可見，纖維排列對復合材料的拉伸性能具有重要影響，這可為建筑物修復補強提供一定的指導。為了能夠綜合地反映復合材料的力學性能，可以在后續(xù)試驗中測試其彎曲性能。

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