玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能研究

梁荷葉 高曉平

摘 要：紡織結(jié)構(gòu)玄武巖纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。以四軸向經(jīng)編玄武巖織物為增強(qiáng)體，E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂與2511-1BT固化劑混合膠液基體，基于真空輔助VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型技術(shù)制備復(fù)合材料試樣，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了準(zhǔn)靜態(tài)下試樣沿0°，45°，90°的拉伸及彎曲性能。結(jié)果表明：四軸向經(jīng)編復(fù)合材料沿不同方向拉伸強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系是90°>0°>45°；彎曲強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系是90°>45°>0°。強(qiáng)度和模量區(qū)別主要取決于增強(qiáng)體紗線束的細(xì)度和排列。另外，拉伸斷裂截面顯示，四軸向經(jīng)編增強(qiáng)體可以有效改善拉伸分層失效和斷裂截面處纖維抽拔等現(xiàn)象；復(fù)合材料的彎曲破壞失效圖顯示，即使到最大彎曲撓度，試樣仍然沒(méi)有發(fā)生明顯斷裂，由此可知四軸向經(jīng)編玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的韌性。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；四軸向經(jīng)編織物；復(fù)合材料；拉伸性能；彎曲性能

中圖分類號(hào)：TS186.1；TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2018）06-0001-05

Abstract：The resin matrix composite reinforced by basalt fiber with textile structure has excellent mechanical behavior. The composite specimens were manufactured with quad-axial warp-knitted basalt fabric as the reinforcement， and E-2511-1A epoxy resin and 2511-1BT curing agent as mixed glue matrix with vacuum assisted resin infusion （VARI）. The quasi-static tensile and bending properties of composite specimen were tested experimentally along 0°， 45° and 90° direction. The results show that the relation between tensile strength and modulus of the composite is 90°>0°>45°. Meanwhile， the relation between bending strength and modulus of the composite is 90°>45°>0°. The strength and modulus are dependent on the fineness and arrangement of reinforced yarn. The tensile fracture section of composites shows that quad-axial warp-knitted fabric reinforcement can improve the tensile failure pattern and the fiber extraction at the cross section. The bending failure pattern shows that the specimen is not faulted obviously even at the maximum bending deflection， which indicates that the composite reinforced with warp-knitted basalt fabric has high toughness.

Key words：basalt fiber； quad-axial warp-knitted fabric； composite； tensile properties； bending properties

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是由增強(qiáng)體纖維與基體材料通過(guò)某一種加工工藝復(fù)合而成的一種新型高性能材料，以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、低密度和抗疲勞等良好的性能在航空航天、風(fēng)機(jī)葉片等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。玄武巖纖維作為一種新型的高性能纖維，具有高強(qiáng)、耐燒蝕、耐高低溫、化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，且具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)[5-8]。以玄武巖纖維為原料，利用多軸向經(jīng)編技術(shù)可以制備厚度較大的玄武巖纖維多層經(jīng)編織物，纖維束彼此之間平行伸直排列，沒(méi)有交織，可以最大程度發(fā)揮材料的拉伸強(qiáng)度，且織物尺寸穩(wěn)定性，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)[8-10]。多軸向經(jīng)編增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)是目前復(fù)合材料中應(yīng)用最理想的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，不但可以克服機(jī)織平紋織物因經(jīng)緯交織屈曲降低材料性能，而且襯墊針織紗線可以克服分層失效，從而提高復(fù)合材料抗層間損傷強(qiáng)度[9-11]。

本文以四軸向經(jīng)編玄武巖纖維織物為增強(qiáng)體，E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂與2511-1BT固化劑混合膠液為基體，基于VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型技術(shù)來(lái)制備復(fù)合材料試樣。分別測(cè)試試樣沿0°，45°，90°方向上的拉伸與彎曲性能。分析纖維排列對(duì)試樣拉伸性能及彎曲性能的影響；分析試樣斷裂形貌特征，得出斷裂模式，并分析失效機(jī)理。

1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用的四軸向經(jīng)編玄武巖織物產(chǎn)自山東聚源玄武巖有限公司。紗線束的鋪層結(jié)構(gòu)是90°/-45°/0°/45°，不同軸向的主體紗線束均為玄武巖纖維無(wú)捻粗紗，其中玄武巖纖維原絲的直徑是13 μm，玄武巖纖維四軸向經(jīng)編增強(qiáng)體織物正面如圖1所示。增強(qiáng)體織物及組份紗線的性能如表1所示。

四軸向經(jīng)編玄武巖織物同向三層鋪放，選用E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂和2511-1BT固化劑混合膠液為基體，基體材料相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，樹(shù)脂和固化劑混合比例為100∶30，基于VARI成型技術(shù)來(lái)制備試樣，成型工藝如圖2所示。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6641M—2009《用組合載荷壓縮（CLC）固定試驗(yàn)設(shè)備測(cè)定泵合體基復(fù)合材料層壓板壓縮特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》將成型后的復(fù)合材料沿0°、45°、90°三個(gè)方向切割，試樣尺寸為長(zhǎng)250 mm×寬25 mm×厚度2 mm。為避免握持試件時(shí)，在夾頭位置出現(xiàn)試樣滑移和損傷，所以得在試件的兩端貼上加強(qiáng)片，加強(qiáng)片長(zhǎng)為50 mm，寬為25 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為WDW-30，沿試樣軸向勻速加載，直至試樣斷裂，加載速度為5 mm/min。

2.2 彎曲實(shí)驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)參照ASTM D790—2010《未增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料及電絕緣材料撓曲性試驗(yàn)方法》將成型后的復(fù)合材料沿0°、45°、90°三個(gè)方向切割，試樣尺寸為長(zhǎng)80 mm×寬13 mm×厚度2 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為WDW-30。采用三點(diǎn)彎曲的方式，沿試樣軸向勻速地以2 mm/min的加載速度使試樣被破壞。

3 結(jié)果與分析

玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復(fù)合材料破壞形貌和拉伸、彎曲曲線如圖3所示。從圖3（a）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)看，拉伸力值在達(dá)到峰值后，測(cè)試件會(huì)迅速的發(fā)生破壞直至測(cè)試件的失效。這說(shuō)明在拉伸過(guò)程中幾乎是所有的玄武巖纖維同時(shí)發(fā)生斷裂，進(jìn)一步說(shuō)明可以最大程度的利用增強(qiáng)體纖維的力學(xué)性能。從圖3（b）彎曲載荷-撓度曲線可以看出，0°、45°、90°三個(gè)方向上的載荷撓度曲線很相似，說(shuō)明試件的破壞機(jī)制和破壞方式是相似的。在剛開(kāi)始的測(cè)試中，彎曲曲線基本上是一條直線，這主要是因?yàn)樵嚰趧傞_(kāi)始承受載荷時(shí)，試樣的上受力面受壓，而下受力面受到拉伸作用，下表面的樹(shù)脂受到載荷作用出現(xiàn)斷裂。隨著載荷的持續(xù)增加，出現(xiàn)多次的彎曲分層破壞，試件的上下表面均受到破壞，在這過(guò)程中，應(yīng)力沿增強(qiáng)體傳遞，增強(qiáng)體中的樹(shù)脂受到應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋，彎曲模量減小，直至試件的整體失效。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算準(zhǔn)則，此次試驗(yàn)中復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)用稱重法來(lái)計(jì)算，具體計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示[7]。

玄武巖四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸、彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

玄武巖四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸、彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試件均取自同一塊板材，但是由于不同方向的增強(qiáng)體織物結(jié)構(gòu)不同，因此不同角度試樣其纖維體積分?jǐn)?shù)不盡相同，致使無(wú)法準(zhǔn)確地去衡量它們的性能。在此引入復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量的概念，其計(jì)算方法如式（3）和式（4）所示。

從表1可以看出，玄武巖四軸向經(jīng)編增強(qiáng)體織物0°方向排列密度為40根/10 cm，而90°方向排列密度是24根/10 cm。0°和90°方向的紗線線密度分別為414 tex和1 098 tex，而從表3可以看出0°和90°方向拉伸強(qiáng)度卻相差不大，分別為185 MPa和224 MPa。所以玄武巖鋪層紗線束的排列密度和鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響較大。從表3可以看出，玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系為90°>0°>45°。從表1可以看出不同組份紗線束的細(xì)度大小關(guān)系是90°>0°>45°，所對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)體織物的拉伸強(qiáng)度大小關(guān)系也是如此，說(shuō)明即使織物中有捆綁紗線，但是并不影響織物的整體拉伸性能。從表3可以看出，即使各方向鋪層紗線束之間存在較大差異，但是玄武巖四軸向經(jīng)編復(fù)合材料0°，45°和90°方向纖維體積分?jǐn)?shù)卻近似相等，換言之，也就是三個(gè)方向的纖維含量近似相等。因此也說(shuō)明鋪層紗線束的排列結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料整體性能影響較大。玄武巖纖維四軸向經(jīng)編織物中紗線束的排列呈現(xiàn)“米字”結(jié)構(gòu)，所鋪設(shè)的纖維束層之間用經(jīng)編組織連接在一起，由于經(jīng)編組織的引入，織針在穿入的時(shí)候，就不可避免的引起鋪設(shè)纖維束的損傷。對(duì)增強(qiáng)織物拆解分析得到，織針對(duì)90°和0°方向的紗線束損傷最小，但是出于對(duì)織物整體尺寸穩(wěn)定性和復(fù)合材料中纖維體積分?jǐn)?shù)的考慮，+45°和-45°兩個(gè)方向上的纖維束幾乎是粘連在一起的，織針不可避免的刺傷纖維，導(dǎo)致這兩個(gè)方向上的紗線束強(qiáng)度降低。玄武巖經(jīng)編四軸向織物中紗線束的排列為特殊的米字結(jié)構(gòu)，當(dāng)90°方向的織物受到拉伸載荷時(shí)，與軸向拉伸方向平行，即90°方向上的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，但是0°方向上的紗線束沒(méi)有貢獻(xiàn)強(qiáng)力。此時(shí)±45°兩個(gè)方向上的纖維束呈垂直的結(jié)構(gòu)，但是由于織針對(duì)這兩個(gè)方向紗線束的刺傷，使得其只能貢獻(xiàn)少許的強(qiáng)力，主要還是起支撐作用。所以當(dāng)90°方向的織物經(jīng)受拉伸載荷時(shí)，織物強(qiáng)度和紗線束的細(xì)度近似存在比例關(guān)系。但當(dāng)+45°方向的織物受到拉伸載荷時(shí)，由于+45°上的紗線束細(xì)度與0°或90°方向上的相差甚遠(yuǎn)，再加上織針的損傷，因此主承力方向的紗線束對(duì)織物強(qiáng)力的貢獻(xiàn)是比較小的。主承力方向上的纖維束受到拉伸載荷時(shí)，最先在薄弱地方發(fā)生斷裂導(dǎo)致主承力方向上的強(qiáng)力貢獻(xiàn)值迅速降到最低，拉伸載荷在織物內(nèi)重新分配。緊接著受力的是0°和90°方向的紗線束，此時(shí)這兩個(gè)方向呈垂直結(jié)構(gòu)，一方面繼續(xù)提供強(qiáng)力，另一方面在織物中起著支撐的作用。

通過(guò)計(jì)算得出玄武巖四軸向經(jīng)編復(fù)合材料0°，45°和90°三個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度比值近似等于1，明顯的呈現(xiàn)出各向同性的力學(xué)性能特點(diǎn)。主要與增強(qiáng)體織物組份紗線束的細(xì)度和排列結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于增強(qiáng)體材料是復(fù)合材料中的主承力構(gòu)件，而樹(shù)脂基體的作用是將增強(qiáng)材料在面內(nèi)固定下來(lái)，減少纖維之間的磨損，為增強(qiáng)體材料提供一種支撐，以及均衡和傳遞載荷，E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂與2511-1BT固化劑混合膠液體系經(jīng)固化后具有良好的尺寸穩(wěn)定性。連續(xù)玄武巖纖維在生產(chǎn)加工的過(guò)程中，難免受到人為或機(jī)械原因造成纖維的表面弱節(jié)缺陷，當(dāng)試件承受載荷時(shí)容易產(chǎn)生微裂紋，樹(shù)脂基體組份材料可以阻止微裂紋的延伸，當(dāng)載荷持續(xù)增加時(shí)，樹(shù)脂基體會(huì)將所施加的外載荷重新分配，所以復(fù)合材料拉伸時(shí)在某一方向展現(xiàn)出的力學(xué)性能，并不是這一方向上材料的單獨(dú)作用，而是復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)協(xié)同產(chǎn)生的。因此復(fù)合材料各方向表現(xiàn)出的拉伸性能比例關(guān)系和單一增強(qiáng)體紗線力學(xué)性能之間并沒(méi)有特定的比例關(guān)系。除此之外，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的增強(qiáng)體材料和基體材料性能上取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料整體綜合性能提高，因此可以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?fù)合材料力學(xué)性能的要求。增強(qiáng)體材料和樹(shù)脂基體材料之間所形成的結(jié)合界面強(qiáng)度的高低，將直接影響復(fù)合材料的整體性能，如若結(jié)合界面強(qiáng)度過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂方式，破壞形式單一，影響復(fù)合材料整體的力學(xué)性能；結(jié)合界面若強(qiáng)度過(guò)低，則會(huì)發(fā)生樹(shù)脂的脫膠和增強(qiáng)體纖維的抽拔現(xiàn)象。從圖3（c）試件拉伸破壞形貌圖可以看出，玄武巖四軸向經(jīng)編復(fù)合材料試件在不同方向的拉伸斷裂截面特征基本相似，斷裂截面的形貌和增強(qiáng)體纖維束的鋪設(shè)角度結(jié)構(gòu)是一致的，換言之復(fù)合材料試件在承受載荷時(shí)，發(fā)生的脆性斷裂形式使得不同方向的增強(qiáng)體紗線束并不能完全發(fā)揮其力學(xué)性能，所以復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和單一增強(qiáng)體紗線束之間沒(méi)有出現(xiàn)特定的比例關(guān)系。

從表3經(jīng)編四軸向復(fù)合材料彎曲測(cè)試數(shù)據(jù)得出彎曲強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系是90°>45°>0°，拉伸強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系卻是90°>0°>45°。主要與增強(qiáng)體紗線束的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)和紗線束的細(xì)度有關(guān)。明顯可以看出0°和45°方向的拉伸、彎曲性能有所差異，只要原因是增強(qiáng)體織物中紗線束的鋪層角度結(jié)構(gòu)。與彎曲載荷軸向方向相垂直的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，但是此時(shí)在拉伸實(shí)驗(yàn)中起支撐作用的相同紗線束，在承受彎曲載荷時(shí)，卻可以發(fā)揮“均衡載荷”的作用，因此會(huì)出現(xiàn)45°彎曲強(qiáng)度大于0°的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖3（d）試件彎曲破壞形貌分析來(lái)看，彎曲破壞斷面圖可以看出，玄武巖纖維和樹(shù)脂并沒(méi)有發(fā)生類似拉伸時(shí)的剝離現(xiàn)象，樹(shù)脂和纖維在破壞以后基本粘結(jié)在一起，說(shuō)明此次試驗(yàn)所選用的E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂體系的韌性很高。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使試件已經(jīng)達(dá)到了最大的彎曲撓度，但是試件仍然沒(méi)有發(fā)生斷裂，說(shuō)明了玄武巖纖維復(fù)合材料的韌性比較良好。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上對(duì)玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸、彎曲性能測(cè)試分析，總結(jié)如下：

a）玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系為90°>0°>45°。主要與增強(qiáng)體織物組份紗線束的細(xì)度和排列結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)復(fù)合材料試件某一方向受到拉伸載荷時(shí)，與軸向拉伸方向平行的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，其他三個(gè)軸向上的紗線 束不受力或呈±45相互垂直的結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料拉伸時(shí)只起到支撐的作用。

b）經(jīng)編四軸向復(fù)合材料彎曲測(cè)試數(shù)據(jù)得出彎曲強(qiáng)度、模量的大小關(guān)系是90°>45°>0°。0°和45°方向的拉伸、彎曲性能有所差異，主要與增強(qiáng)體紗線束的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)和紗線束的細(xì)度有關(guān)。與彎曲載荷軸向方向相垂直的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，拉伸實(shí)驗(yàn)中起支撐作用的相同紗線束在承受彎曲載荷時(shí)，可以發(fā)揮“均衡載荷”的作用，因此會(huì)出現(xiàn)45°彎曲強(qiáng)度大于0°的結(jié)果。

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