纖維增強(qiáng)復(fù)合管材的力學(xué)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(xué)，河北石家莊， 050018；2.河北省紡織服裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊， 050018）

輕質(zhì)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(qiáng)筋（以下簡(jiǎn)稱棒材）構(gòu)成，其中棒材對(duì)中空織物起著支撐的作用，且對(duì)軟體路面的整體性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。軟體路面作為一種移動(dòng)式軟體防淤陷應(yīng)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(yīng)用于道路工程保障、軍用橋梁器材配套及機(jī)場(chǎng)應(yīng)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(jīng)得到了產(chǎn)業(yè)化，但在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，其所具有的沉重、易脆、抗剪切性差等缺點(diǎn)，使得其在一些應(yīng)用中受到限制。為了實(shí)現(xiàn)棒材的輕量化和高強(qiáng)度，本研究選用碳纖維、滌綸和高強(qiáng)聚乙烯纖維作為編織材料，制備中空的管材，代替?zhèn)鹘y(tǒng)棒材的作用，探究不同增強(qiáng)材料和編織角度對(duì)復(fù)合管材三點(diǎn)彎曲性能和橫向壓縮性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用江蘇恒力化纖股份有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)低伸型工業(yè)滌綸（以下簡(jiǎn)稱滌綸）、浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)聚乙烯纖維以及東莞市索維特特殊線帶有限公司生產(chǎn)的碳纖維，其性能如表1 所示。復(fù)合試劑包括環(huán)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(fù)合管材的制備

管狀增強(qiáng)體的編織采用24 錠2 頭的KBL?24?2?90 型二維編織機(jī)（徐州恒輝編織機(jī)械有限公司），轉(zhuǎn)速400 r/min，節(jié)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(jié)構(gòu)進(jìn)行三層編織。所得預(yù)制件與樹脂進(jìn)行復(fù)合，得到復(fù)合管材，具體如圖1所示。

圖1 復(fù)合管材的制作過(guò)程

2 復(fù)合管材性能測(cè)試

考慮到復(fù)合管材在軟體路面中的支撐作用，以及管材在最終應(yīng)用領(lǐng)域中承受載荷的情況，對(duì)3 種不同纖維增強(qiáng)的復(fù)合管材進(jìn)行三點(diǎn)彎曲和橫向壓縮性能的測(cè)試。

按照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，選用UTM5105 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試。試樣長(zhǎng)度為8 cm，測(cè)試速度為10 mm/min。每種復(fù)合管材測(cè)試5 個(gè)樣品，取平均值。

按照GB/T 5352—2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管平行板外載性能試驗(yàn)方法》，選用UTM5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向壓縮性能測(cè)試，試樣長(zhǎng)度為4 cm，加載速度為2 mm/min，加載位移為5 mm。每種復(fù)合管材測(cè)試5 個(gè)樣品，取平均值。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 復(fù)合管材彎曲性能的測(cè)試分析

不同增強(qiáng)纖維、不同編織角度的復(fù)合管材在三點(diǎn)彎曲過(guò)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(duì)應(yīng)的破壞情況如圖2和圖3 所示。

圖2 各復(fù)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(qiáng)纖維材料

圖3中的載荷?位移曲線顯示，碳纖維、滌綸和高強(qiáng)聚乙烯纖維3 種不同增強(qiáng)材料的復(fù)合管材在承受彎曲載荷時(shí)，呈現(xiàn)相同規(guī)律的變化曲線，加載前期位移與加載載荷呈線性關(guān)系增長(zhǎng)；當(dāng)達(dá)到最大載荷值之后，載荷急速下降，材料發(fā)生損壞，碳纖維復(fù)合管材表現(xiàn)出嚴(yán)重的脆性斷裂。圖3 體視顯微鏡圖像顯示，碳纖維復(fù)合管材出現(xiàn)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(qiáng)聚乙烯纖維復(fù)合管材，由于纖維本身韌性較高，尤其高強(qiáng)聚乙烯纖維本身優(yōu)異的抗剪切性能，使得其復(fù)合管材的韌性高于碳纖維復(fù)合管材，在加載后期只出現(xiàn)樹脂的分層和開裂，而沒有纖維的斷裂損傷。結(jié)合圖2（a）的破壞載荷值，碳纖維復(fù)合管材在加載過(guò)程中通過(guò)以多種破壞的形式對(duì)加載能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化吸收，進(jìn)而提高加載載荷；而滌綸和高強(qiáng)聚乙烯纖維的斷裂強(qiáng)度較碳纖維低，所得復(fù)合管材韌性較高，剛性較低，加載過(guò)程中呈現(xiàn)樹脂的開裂和加載區(qū)樹脂與增強(qiáng)體纖維的分層破壞形式，導(dǎo)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(xiàn)來(lái)看，高強(qiáng)聚乙烯纖維的斷裂強(qiáng)度雖遠(yuǎn)高于滌綸，但由于其與樹脂的結(jié)合界面不如滌綸的好，影響了復(fù)合材料最終的力學(xué)性能。

圖3 彎曲性能測(cè)試的曲線圖及體視顯微鏡圖

對(duì)比3 種復(fù)合管材的彎曲彈性模量［圖2（b）］，發(fā)現(xiàn)3 種材料的彎曲彈性模量的變化趨勢(shì)不同。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，玻璃纖維復(fù)合管材彈性模量與編織角度的變化趨勢(shì)為30°＞45°＞65°，而纖維素纖維復(fù)合管材的彈性模量與編織角度的變化 趨 勢(shì) 為65°＞45°＞55°［5］。本 試 驗(yàn) 測(cè) 試 結(jié) 果 顯示，在編織角度為30°時(shí)，碳纖維復(fù)合管材和滌綸復(fù)合管材具有最大的彈性模量，與上述玻璃纖維復(fù)合管材的結(jié)果相似。而在編織角度為60°時(shí)，高強(qiáng)聚乙烯纖維復(fù)合管材具有最大的彈性模量，也與上述纖維素纖維復(fù)合管材的結(jié)果相似，因此可以說(shuō)明復(fù)合管材彎曲彈性模量與增強(qiáng)體材料的本身性質(zhì)和編織角度有關(guān)。

3.1.2編織角度

在三點(diǎn)彎曲的過(guò)程中，加載頭對(duì)復(fù)合管材有向下的加載力，且編織方向?yàn)橹饕某休d方向，隨著加載頭位移的增加，管材上表面承受彎曲向內(nèi)的擠壓，下表面承受拉伸向外應(yīng)力，將不同編織角度的復(fù)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(fù)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(jié)果與圖3 的結(jié)果相同，因此編織角度對(duì)管材的承載能力具有較大的影響。

3.2 復(fù)合管材橫向壓縮性能的測(cè)試分析

將3 種不同編織角度、不同纖維的復(fù)合管材分別進(jìn)行橫向壓縮性能測(cè)試，并進(jìn)行了載荷?位移曲線分析，結(jié)果如圖5 所示。壓縮試驗(yàn)設(shè)置位移為5 mm，在4.84 mm 取得復(fù)合管材的最大承載載荷。

圖5 復(fù)合管材在橫向加載過(guò)程中的壓縮性能曲線

3.2.1增強(qiáng)纖維材料

圖5表明，碳纖維復(fù)合管材的抗壓縮性能明顯優(yōu)于滌綸和高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)的復(fù)合管材，在加載初期碳纖維復(fù)合管材具有較大的載荷增長(zhǎng)速率，因?yàn)樘祭w維本身的剛度較大；而滌綸復(fù)合管材和高強(qiáng)聚乙烯纖維復(fù)合管材在初始階段載荷增長(zhǎng)速率較小，說(shuō)明管材的剛度較小。

由于3 種纖維增強(qiáng)的管材內(nèi)徑（7 mm）較小，在橫向壓縮加載過(guò)程中容易出現(xiàn)側(cè)向擠壓，圖5（a）顯示碳纖維復(fù)合管材的屈服變形45°＜60°＜30°，45°的斜率最大，因此可以說(shuō)明編織角度為45°的碳纖維復(fù)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(fù)合管材在彈性變形階段載荷隨著位移的增加而增加，到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)超出碳纖維復(fù)合管材的承載能力使得管材出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致位移達(dá)到3.5 mm 時(shí)出現(xiàn)最終失效狀態(tài)（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(tài)是由試驗(yàn)中對(duì)失效的復(fù)合管材進(jìn)行擠壓所導(dǎo)致。圖5（b）和圖5（c）的載荷?位移曲線中，滌綸和高強(qiáng)聚乙烯纖維復(fù)合管材由于材料本身模量較低，柔韌性較好，在出現(xiàn)屈服點(diǎn)之后，繼續(xù)加載，材料沒有出現(xiàn)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(qiáng)聚乙烯纖維材料復(fù)合管材具有相同的變化趨勢(shì)，隨著編織角度的增大，其橫向承載能力越大。這是因?yàn)樵趬嚎s測(cè)試過(guò)程中，管材整體承受壓頭向下的載荷，承載主體為徑向增強(qiáng)纖維，隨著編織角度的增大，增強(qiáng)纖維徑向承載的分力增大，復(fù)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(shí)，材料各向異性程度越高，不利于材料整體承載。

4 結(jié)論

（1）纖維材料對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合管材的性能有較大的影響。在進(jìn)行不同的加載試驗(yàn)時(shí)，碳纖維模量較高、剛度大、強(qiáng)度高，其加工而成的復(fù)合管材在測(cè)試過(guò)程中具有較大的承載能力和抗壓縮能力。

（2）編織角度對(duì)復(fù)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(duì)復(fù)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(fù)合管材和高強(qiáng)聚乙烯纖維復(fù)合管材進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者的承載能力要高于后者。在后期的研究中將對(duì)高強(qiáng)聚乙烯纖維進(jìn)行等離子體表面改性，以期改善復(fù)合材料的界面性能，以提高復(fù)合材料的機(jī)械性能。