鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料的性能分析

時(shí)娟娟 李小紅 金禮月 黃曉梅 曹海建

（1.南通大學(xué)，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(duì)安全問題的重視，電動(dòng)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(zhuǎn)向了芳綸復(fù)合材料、超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料、高強(qiáng)高模碳纖維復(fù)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(hù)性能［1］。

王鳳德等通過對(duì)比超高分子量聚乙烯纖維、PBO 纖維和對(duì)位芳綸纖維的強(qiáng)度及其優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為對(duì)位芳綸的綜合性能最優(yōu)，其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、耐高溫、高韌性、耐沖擊等優(yōu)良性能，是個(gè)體防護(hù)裝備的首選材料［2］。頭盔殼體用復(fù)合材料增強(qiáng)織物中，一維的主要有單向織物［3］。二維機(jī)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(cè)試發(fā)現(xiàn)，與平紋織物相比，方平織物增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能更優(yōu)，其主要原因是方平織物中的經(jīng)緯紗交織點(diǎn)比平紋織物少，更易于能量的傳播［5］。羅岳文對(duì)超高分子量聚乙烯緯編針織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)8 層針織復(fù)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(yōu)異，應(yīng)用于復(fù)合材料頭盔殼體增強(qiáng)織物可以減少鋪層數(shù)和鋪層缺陷［7］。謝婉晨通過對(duì)比不同層數(shù)角聯(lián)鎖織物與平紋織物的沖擊性能發(fā)現(xiàn)，5 層角聯(lián)鎖織物具有較好的抗沖擊性能［8］。張國(guó)利等探究了不同鋪層角度對(duì)碳/芳綸混雜復(fù)合材料頭盔的力學(xué)性能，結(jié)果表明在0°鋪層時(shí)試樣的拉伸強(qiáng)度和模量最大［9］。王心淼等利用落錘沖擊裝置對(duì)引入±45°斜向紗的多軸向三維機(jī)織復(fù)合材料和三維正交機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多軸向三維機(jī)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(nèi)的紗線排列方向增多，復(fù)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?zèng)_擊載荷能力［10］。目前，對(duì)紡織復(fù)合材料頭盔的研究相對(duì)較少，頭盔殼體預(yù)制件的制備多采用裁剪鋪層的方式，存在效率低、尺寸穩(wěn)定性差等問題，限制了紡織復(fù)合材料頭盔的發(fā)展。沖擊試驗(yàn)主要是落錘沖擊，對(duì)其擺錘沖擊、碰撞機(jī)理以及成型工藝參數(shù)對(duì)頭盔沖擊性能的影響還有待進(jìn)一步探究。

本研究以芳綸1414 織物為增強(qiáng)體，環(huán)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(fù)合材料，重點(diǎn)研究復(fù)合材料彎曲性能、沖擊性能及其破壞形貌，分析其破壞機(jī)理，并探究含膠量和織物層數(shù)對(duì)其鋪層芳綸1414安全頭盔用復(fù)合材料彎曲性能和沖擊性能的影響，為復(fù)合材料頭盔殼體的研發(fā)奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與設(shè)備

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

采用的設(shè)備有旋片式真空泵、Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)。

1.2 復(fù)合工藝

環(huán)氧樹脂E-51 和聚醚胺230 按4∶1 的質(zhì)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(fù)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(xiàn)［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(fù)合材料彎曲性能測(cè)試參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》［12］。采用Instron 5969H 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲性能的測(cè)試。樣品規(guī)格120 mm×15 mm，試驗(yàn)跨距90 mm，測(cè)試速度2 mm/min，每種樣品測(cè)5 次，結(jié)果取平均值。

1.4 沖擊性能

鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料沖擊性能測(cè)試參照GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》［13］。采用ZBC8501-C 型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊性測(cè)試。 樣品規(guī)格80 mm×10 mm，擺錘沖擊能量22 J，每種樣品測(cè)5 次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)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(fù)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(fù)合材料的彎曲載荷-位移曲線

圖3 復(fù)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(yàn)。由圖2 的ab區(qū)間可以看出，彎曲載荷隨著位移的增加呈現(xiàn)先線性增加、后非線性增加的趨勢(shì)，試驗(yàn)過程中可以看到材料部分彎曲，且上下層樹脂有碎裂現(xiàn)象。圖2 的b點(diǎn)為彎曲載荷達(dá)到最大值，試驗(yàn)中材料發(fā)生破壞。彎曲載荷隨著位移的增加呈現(xiàn)先緩慢下降、后急劇下降的趨勢(shì)，如圖2 的bc區(qū)間和cd區(qū)間，隨后材料徹底被破壞，彎曲過程結(jié)束。此時(shí)，材料出現(xiàn)了不可回復(fù)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(yīng)力增加，下表面拉應(yīng)力增加，使纖維與基體界面破壞；從材料側(cè)面看，下表面邊緣處還出現(xiàn)了微小分層，如圖3（c）所示。

2.1.2 彎曲強(qiáng)度

含膠量、織物層數(shù)對(duì)鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著含膠量的增加呈先增加后減小的規(guī)律。這是因?yàn)椋h(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂大分子，使纖維與樹脂之間的界面黏結(jié)能力增強(qiáng)，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，因此材料的彎曲強(qiáng)度增大；但含膠量太大，反而會(huì)使彎曲強(qiáng)度下降，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂屬于熱固性樹脂，過大會(huì)使得復(fù)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(shí)，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度較好。當(dāng)織物層數(shù)為10 層時(shí)，最大彎曲強(qiáng)度為237.08 MPa，此時(shí)含膠量為41%；織物層數(shù)為15 層時(shí)，最大彎曲強(qiáng)度為273.67 MPa，此時(shí)含膠量為42%；織物層數(shù)為20 層時(shí)，最大彎曲強(qiáng)度為290.05 MPa，此時(shí)含膠量為42%。說明鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著織物層數(shù)的增加而增大，這是因?yàn)榭椢飳訑?shù)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(jié)合，同時(shí)材料厚度增大使復(fù)合材料剛度增大，因此復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著織物層數(shù)的增大而增大。

圖4 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度與含膠量、織物層數(shù)的關(guān)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(fù)合材料沖擊破壞形貌如圖5 所示。 其中，復(fù)合材料為含膠量42% 的10 層芳綸1414 織物的5 個(gè)試樣。由圖5可以看出，試樣經(jīng)22 J 的能量沖擊后，破壞較為嚴(yán)重，且破壞形式較為復(fù)雜。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，試樣正面和背面均出現(xiàn)了樹脂碎裂、纖維斷裂和纖維抽拔現(xiàn)象，破壞區(qū)域主要集中在被擺錘沖擊韌接觸的區(qū)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(xiàn)象更加嚴(yán)重，邊緣處樹脂與纖維脫黏，試樣中間有分層現(xiàn)象，分層破壞的區(qū)域較大。

圖5 復(fù)合材料的沖擊破壞形貌

2.2.2 沖擊強(qiáng)度

含膠量、織物層數(shù)對(duì)鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料沖擊強(qiáng)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(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著含膠量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。這是因?yàn)椋h(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂大分子，使纖維與樹脂之間的界面黏結(jié)能力增強(qiáng)，因此復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能；但含膠量太大，反而會(huì)使沖擊強(qiáng)度下降，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂屬于熱固性樹脂，過大會(huì)使得復(fù)合材料的韌性下降，造成材料的脆性斷裂。含膠量在42% 時(shí)，鋪層芳綸1414安全頭盔用復(fù)合材料的沖擊性能最好。當(dāng)織物層數(shù)為10 層時(shí)，最大沖擊強(qiáng)度為276.49 kJ/m2，此時(shí)含膠量為42%；織物層數(shù)為15 層時(shí)，最大沖擊強(qiáng)度為344.31 kJ/m2，此時(shí)含膠量為42%；織物層數(shù)為20 層時(shí)，最大沖擊強(qiáng)度為332.88 kJ/m2，此時(shí)含膠量為42%。說明鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨織物層數(shù)的增加先增大后減小，這是因?yàn)閷娱g性能是決定沖擊韌性的關(guān)鍵因素，但20 層時(shí)鋪層數(shù)增多，芳綸1414 與環(huán)氧樹脂基體的結(jié)合較薄弱，使得層間性能下降，復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維黏結(jié)不牢，復(fù)合材料層間樹脂不能將剪切應(yīng)力有效傳遞到芳綸纖維上就會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)破壞失效，層間剪切強(qiáng)度不足，使材料的沖擊韌性下降，因此復(fù)合材料沖擊性能下降［14-15］。沖擊強(qiáng)度離散值不穩(wěn)定，這是由于真空輔助成型工藝的不穩(wěn)定及測(cè)試等客觀原因造成的。

圖6 復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與含膠量、織物層數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）在彎曲載荷作用下，鋪層芳綸1414 安全頭盔用復(fù)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(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著含膠量的增大呈現(xiàn)先增大后減小，隨著織物層數(shù)的增大而增大；含膠量在41% 和42%時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)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(fù)合材料的破壞嚴(yán)重，破壞區(qū)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(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著含膠量的增大先增大后減??；織物層數(shù)為15 層，含膠量在42% 時(shí)，材料的沖擊性能最好。