張博明，李 嘉，李 煦

（北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（FRP）因其比強(qiáng)度和比模量高、耐腐蝕、抗疲勞性、減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航天航空、汽車、船舶、化工、電子和建筑等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用［1，2］?；祀s纖維復(fù)合材料的概念最早起源于日本，1972年由日本的Hayashi［3］提出并展開研究，旨在彌補(bǔ)單一纖維增強(qiáng)存在的缺點(diǎn)和不足。混雜纖維的組合形式不僅可以彌補(bǔ)單一纖維的缺點(diǎn)，還能夠在滿足使用載荷的前提下，大幅降低材料的成本，研究表明，碳纖維／玻璃纖維混雜復(fù)合材料不僅具有高的斷裂延伸率（相對CFRP），且其中碳纖維發(fā)揮的拉伸強(qiáng)度要比在CFRP中高出40%以上［4］。所謂最優(yōu)纖維混雜比例，是指通過調(diào)節(jié)混雜纖維中兩種或多種纖維的比例，得到最優(yōu)化的結(jié)果，此結(jié)果一是兼顧材料的強(qiáng)度、剛度和韌性等，使其性能最優(yōu)，同時(shí)還要兼顧材料的成本、使用壽命等，使其在全壽命周期內(nèi)成本最優(yōu)。

1 混雜纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢及其存在的問題

1.1 混雜纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

混雜纖維復(fù)合材料相較傳統(tǒng)單一纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有其明顯的優(yōu)勢，尤其是在力學(xué)性能方面尤為突出，國內(nèi)外學(xué)者對混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：不同纖維之間混雜后產(chǎn)生的混雜效應(yīng)可讓纖維之間揚(yáng)長補(bǔ)短。以玻璃纖維和碳纖維混雜為例：玻纖與碳纖體積比為2的混雜纖維復(fù)合材料（HFRP）的斷裂應(yīng)變比CFRP高30%～50%；玻璃纖維復(fù)合材料的模量一般較低，但如引入50%的碳纖維作為表層，復(fù)合成夾芯形式，其模量可達(dá)到碳纖維復(fù)合材料的90%；玻璃纖維復(fù)合材料疲勞壽命為非線性遞減，如引入50%的碳纖維，其疲勞壽命將轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性遞減，其循環(huán)應(yīng)力也有較大的提高［5－7］。

此外，HFRP還會(huì)改善構(gòu)件的抗沖擊性能、蠕變性能、疲勞性能等。Park等［8］在研究4層芳綸纖維／玻璃纖維混雜復(fù)合材料的沖擊性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)芳綸纖維在底層時(shí)，表現(xiàn)出較單一玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更高的沖擊能。Maksimov等［9］研究了不同體積含量的芳綸／玻璃纖維混雜復(fù)合材料的蠕變性能，在保持700MPa連續(xù)的力蠕變5.7年后，復(fù)合材料中玻璃纖維的應(yīng)力增加了1.85倍，芳綸纖維的應(yīng)力下降了10%，表明在芳綸纖維中混入玻璃纖維，可以有效地抑制蠕變。Cavatorta［10］對玻璃纖維／碳纖維混雜復(fù)合材料疲勞性能進(jìn)行研究表明，混雜纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能較單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更優(yōu)。

混雜纖維不僅可以混雜傳統(tǒng)意義中的有機(jī)無機(jī)合成纖維，同時(shí)可以混雜植物纖維，既可以彌補(bǔ)植物纖維強(qiáng)度低、吸濕率高的劣勢，還可以使復(fù)合材料獲得意想不到優(yōu)異特性，如Rout等［11］用7%的玻纖與13%的椰子殼纖維增強(qiáng)聚酯樹脂，不僅提高了構(gòu)件的彎曲強(qiáng)度，而且使構(gòu)件的吸濕性降低。

1.2 混雜纖維復(fù)合材料存在的不足

混雜纖維復(fù)合材料能夠有效地彌補(bǔ)單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所存在的缺點(diǎn)，是復(fù)合材料將來的發(fā)展趨勢之一。但是混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同時(shí)也存在相應(yīng)的問題，如混雜區(qū)域、混雜均勻性等，不均勻的混雜區(qū)域或者局部的單一纖維堆積，往往會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料整體性能不一，容易出現(xiàn)局部的層間破壞或局部微裂紋；混雜纖維比例的不恰當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件在增加某一項(xiàng)性能時(shí)，過多地降低了其他的性能，導(dǎo)致構(gòu)件顧此失彼；混雜比例的不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致過高的成本而使構(gòu)件在實(shí)際使用過程中受到限制。因此控制混雜纖維復(fù)合材料的工藝和合適的混雜比例是混雜纖維復(fù)合材料保持優(yōu)異性能的前提，其中尤為突出的便是混雜比例，如何確定一個(gè)最優(yōu)的纖維混雜比例，不僅關(guān)系到構(gòu)件的力學(xué)性能，同時(shí)關(guān)乎成本，在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往是兼顧兩者之間的關(guān)系，擇優(yōu)選擇，即最優(yōu)纖維混雜比例的確定。

2 最佳混雜比例研究

2.1 最佳性能混合比例研究

混雜纖維復(fù)合材料的研究早期主要集中于玻璃纖維與碳纖維的混雜，以提供復(fù)合材料更強(qiáng)的力學(xué)性能，并彌補(bǔ)碳纖維斷裂延伸率低和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。性能研究的基礎(chǔ)是混雜纖維的混雜效應(yīng)，Manders［12，13］對CFRP／GRPF混雜復(fù)合材料試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究，概括出如圖1所示的強(qiáng)度與混雜比的關(guān)系。圖1（a）中AD線對應(yīng)相關(guān)混雜比例下的HFRP理論拉伸強(qiáng)度，A點(diǎn)、D點(diǎn)分別代表純GFRP和純CFRP的拉伸強(qiáng)度。CFRP體積含量在C點(diǎn)以前時(shí)，由于碳纖維的延伸率低，其先斷裂，碳纖維斷裂后載荷傳給玻璃纖維，由玻璃纖維承載直到整體失效。即在C點(diǎn)以前，材料呈多級破壞模式，典型拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)線性段和曲線段；CFRP體積含量在C點(diǎn)以后，碳纖維首先斷裂后，玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)相對較少，承載能力較低，混雜纖維復(fù)合材料呈現(xiàn)單級破壞模式，典型拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線只包含線性段，如圖1（b）所示。即混雜纖維復(fù)合材料存在“混雜效應(yīng)”。

圖1 混雜纖維復(fù)合材料的混雜效應(yīng) （a）混雜纖維復(fù)合材料理論強(qiáng)度；（b）C點(diǎn)前后的典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 Hybrid effect of hybrid composites （a）theoretical strength of HFRP；（b）typical stress－strain curves before and after point C

Marom等［14］對CFRP／GFRP混雜復(fù)合材料進(jìn)行了研究表明，混雜效應(yīng)發(fā)生的前提條件是兩種纖維不僅在力學(xué)性能上要有差異，而且它們各自與基體形成的界面性能也要不同。在此基礎(chǔ)之上，混雜纖維復(fù)合材料的性能延伸出了很多理論模型來預(yù)測混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。最典型的就是斷裂力學(xué)模型［12，13］、微觀力學(xué)模型［15］、斷裂能模型［16］和隨即臨界核模型［17］。基于這一系列的理論，學(xué)者們展開了最優(yōu)混雜比例的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。

在理論研究方面，Nordin等［18］研究了混凝土板和混雜纖維工字梁組合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度理論，其中工字梁為拉擠工藝成型，增強(qiáng)體為碳纖／玻纖混雜纖維，碳纖維主要分布在梁的上下面板區(qū)域。針對碳纖維和玻璃纖維混雜區(qū)域，定義了一個(gè)轉(zhuǎn)化因數(shù)α：

其中，EC表示混凝土的彎曲模量；EGFRP和ECFRP分別表示玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料的彎曲模量。

使用平行軸定理和轉(zhuǎn)化因數(shù)可得到慣性矩I：

其中EIflex表示混合結(jié)構(gòu)風(fēng)度，推導(dǎo)可得到理論剛度：

其中：

其中，δ代表位移；p為加載在梁上的總載荷；L為兩支點(diǎn)之間的距離；a為加載點(diǎn)到支點(diǎn)之間的距離，Aweb代表橫截面積；kδV為制造商提供的常數(shù)。通過碳纖維與玻璃纖維混雜構(gòu)件的理論剛度值以及對剛度值和構(gòu)件尺寸的設(shè)定，可以推導(dǎo)出碳纖維的最佳含量。

陳汝訓(xùn)［19］研究了碳纖維與玻璃纖維層間混雜復(fù)合材料拉伸性能，得到了纖維臨界體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式，當(dāng)存在剛度要求時(shí)：

當(dāng)存在壓縮強(qiáng)度要求時(shí)：

其中，E1，E2和E0分別表示纖維1，2和基體的拉伸模量；Vf為纖維的總體積含量。通過兩個(gè)公式的綜合使用，可以得到滿足所需性能的最低碳纖維含量。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，汕頭大學(xué)［20］對 CF／GFHFRP的合理混雜比進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用大試件測得了HFRP試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，對于實(shí)驗(yàn)所選用的材料（CF與高強(qiáng)GF）而言，CF體積分?jǐn)?shù)為0.198和0.247的兩種HFRP強(qiáng)度高，延性好，且價(jià)格低，僅剛度略低，匹配相對合理。鄧宗才［21］在研究玻璃纖維與有機(jī)纖維混雜增強(qiáng)混凝土的彎曲疲勞特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維摻量2.7kg·m－3與有機(jī)纖維摻量1.3kg·m－3混摻時(shí)，混雜纖維混凝土疲勞強(qiáng)度比素混凝土提高35.0%，即混雜纖維能充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢，對改善混凝土的疲勞性能比單摻玻璃纖維和有機(jī)纖維的作用都顯著。此外，張小東［22］、趙洪凱［23］、Hayes［24］、Barjasteh等［25］分別對混雜纖維復(fù)合材料在拉伸狀態(tài)、彎曲狀態(tài)、受熱狀態(tài)下的最佳混雜比例進(jìn)行了研究，得出了相應(yīng)的最佳混雜比例。

目前對于滿足最佳力學(xué)性能的混雜比例的研究，多是先通過理論計(jì)算，再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式得到。通過對混雜纖維復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度等性能進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，可靈活搭配出滿足工程應(yīng)用的構(gòu)件。

2.2 最佳成本混合比例研究

最優(yōu)性能混雜比例的控制主要是為了獲得優(yōu)異的構(gòu)件性能，并沒有過多地考慮成本。但是在混雜過程中，過多地引入性能好的纖維雖然會(huì)大幅提升構(gòu)件的力學(xué)性能，但同時(shí)也會(huì)增加成本，得不償失。最優(yōu)的混雜比例，同時(shí)也是構(gòu)件力學(xué)性能與成本之間的博弈，使其不僅能夠保證復(fù)合材料構(gòu)件優(yōu)異的力學(xué)性能，滿足工程應(yīng)用要求，同時(shí)最有效的控制成本，達(dá)到成本與性能的雙贏。

對于成本與性能的研究，往往在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入相應(yīng)的有限元模擬，來減少實(shí)驗(yàn)的工作量，節(jié)約成本。Deskovic等［26］在此領(lǐng)域起步較早，他們測試了一個(gè)盒形GFRP梁與CFRP和混凝土結(jié)構(gòu)組合使用，CFRP粘接在GFRP下翼板，混凝土固定在梁上翼板。通過實(shí)驗(yàn)、理論分析和有限元分析的方法，證明了混雜纖維復(fù)合材料和混凝土結(jié)構(gòu)共同使用時(shí)，可以達(dá)到性能和價(jià)格的充分有效利用。

此后，Pedro等［27］針對相同的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)研究了一個(gè)12m長的單跨橋，其中梁結(jié)構(gòu)采用拉擠工藝生產(chǎn)的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料工字梁。考慮在工字梁底部粘貼碳纖維復(fù)合材料來增加構(gòu)件的剛度，通過實(shí)驗(yàn)和有限元模擬，分析計(jì)算了不同厚度的碳纖維片材和不同厚度的GFRP工字梁制件相互組合，當(dāng)使其達(dá)到相同的性能時(shí)，在玻璃纖維底面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維片層復(fù)合材料，獲得同等性能時(shí)制品的總成本較純玻璃纖維復(fù)合材料制品成本降低40%，見示意圖2（a）和成本圖2（b），圖2（b）中（Ⅰ）為純 GFRP制件的成本，（Ⅱ）為GFRP粘接GFRP板的成本，（Ⅲ）為GFRP粘接CFRP板的成本。最終Pedro等確立了使用450mm×200mm×80mm GFRP工字梁粘接0.4mm預(yù)應(yīng)力CFRP來作為橋梁結(jié)構(gòu)。

Sorina等［28］也對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但并沒有使用粘貼的方式，而是使用拉擠工藝將玻璃纖維和碳纖維混雜在一起，其中，碳纖維主要分散區(qū)域?yàn)樯舷乱戆?。最終結(jié)果表明，混入20%的碳纖維，使構(gòu)件的整體剛度提升了近40%，同時(shí)可以有效控制成本。在此基礎(chǔ)上，Sorina還發(fā)展了相應(yīng)的理論來均衡性能與成本的關(guān)系，定義了一個(gè)參數(shù)Km來表示制品性能提升與材料價(jià)格提升之間的關(guān)系。

圖2 混雜纖維復(fù)合材料混雜區(qū)域及成本（a）混雜區(qū)域及形式；（b）不同混雜形式成本對比Fig.2 Mixed region and cost of hybrid composites（a）costs of different hybrid forms；（b）hybrid area and form

式中：Δp為加入碳纖維導(dǎo)致的價(jià)格增加；ΔKxx為加入碳纖維導(dǎo)致的剛度增加；φ為任意參量（體積含量、性能等）。

當(dāng)φ為體積含量時(shí)可以得到：

式中：Kca為加入碳纖維后的剛度；Pca為碳纖維加入后的價(jià)格；E為模量；I為慣性矩；ρ為密度；p為一公斤纖維價(jià)格；S為纖維面積。下標(biāo)ca，gl分別代表加入碳纖維和純玻璃纖維復(fù)合材料。

當(dāng)Km＞1時(shí)，認(rèn)為是最佳的性能與價(jià)格比，依此可以計(jì)算出相應(yīng)的碳纖維的體積含量。這種方法是一種簡單的數(shù)值計(jì)算法，其存在很多不足和值得商榷推敲的地方，因此，還有待提出更好的權(quán)衡價(jià)格與性能的計(jì)算公式。

3 混雜纖維復(fù)合材料應(yīng)用

目前，國內(nèi)外混雜纖維復(fù)合材料的應(yīng)用形式主要由以下四種：

（1）不同纖維以鋪層方式混雜；（2）一種纖維拉擠型材與另一種纖維鋪層共固化；（3）兩種纖維通過拉擠工藝混合；（4）一種纖維拉擠型材與另一種纖維型材膠接。其混雜的區(qū)域位置包括夾芯混雜型、層間混雜型、層內(nèi)混雜型、層間并層內(nèi)混雜型和肋條增強(qiáng)型。

混雜纖維復(fù)合材料最早主要是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如衛(wèi)星導(dǎo)彈等，要求復(fù)合材料低的熱膨脹系數(shù)，多采用玻纖／碳纖混雜，如20世紀(jì)70年代中期美國在Sprint導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上采用了Kevlar249、碳纖維混雜復(fù)合材料，使發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度和抗彎、抗壓能力明顯得到提高；美國海軍F－14機(jī)翼表面的整流裝置使用CF／GF織物混雜復(fù)合材料制作，使飛機(jī)減重25%，節(jié)約費(fèi)用40%。目前，俄羅斯等國家也已經(jīng)開始對米格－29等機(jī)型所使用的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行改進(jìn)，通過混雜的方式，以期降低成本。商用飛機(jī)更是大量使用混雜纖維復(fù)合材料，如下圖3為商用航空飛機(jī)機(jī)翼蒙皮使用混雜纖維復(fù)合材料［29］。

圖3 商用飛機(jī)機(jī)翼蒙皮Fig.3 Wing skins of commercial aircraft

20世紀(jì)80年代開始，伴隨著復(fù)合材料型材在土木建筑領(lǐng)域的大量使用，混雜纖維復(fù)合材料也開始廣泛應(yīng)用于土木建筑?；祀s纖維復(fù)合材料最早在橋梁中使用是2001年施工的日本沖繩島大橋，使用玻纖／碳纖混雜纖維作為橋體的橫梁結(jié)構(gòu)［29］；此后，美國的Tom’s Creek大橋使用混雜纖維；Arvid等［30］在2005年進(jìn)行歐洲ASSET項(xiàng)目研究時(shí)，設(shè)計(jì)并建造了一座全FRP橋梁，橋梁尺寸7m×10m。橋梁使用四個(gè)方形GFRP拉擠型材黏結(jié)在一起，在上下表面使用真空輔助工藝將45層單向碳纖維混合7層玻璃纖 維 （鋪 層：1G／6C／1G／6C／1G／6C／1G／6C／1G／7C／1G／7C／1G／7C）與GFRP拉擠桁共固化在一起，使其剛度提升了近50%；Mendes等設(shè)計(jì)研究了一個(gè)12m長的單跨橋，其中梁結(jié)構(gòu)采用拉擠工藝生產(chǎn)的玻璃纖維復(fù)合材料工字梁，并在底面板粘貼碳纖維片材。

除此之外，混雜纖維復(fù)合材料在其他領(lǐng)域也有著很廣泛的應(yīng)用，如美軍士兵使用的未來部隊(duì)勇士（Future Force Warrior，簡稱FFW）帽子［31］，見圖4。采用碳纖維和芳綸纖維混雜，不僅強(qiáng)度高，而且耐沖擊性能優(yōu)異；碳纖維還可與記憶性金屬纖維等組合成新型具有記憶性的形狀記憶復(fù)合材料；玻纖／碳纖混雜復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用；在汽車領(lǐng)域，GEC阿爾斯通公司／SNCF（法國鐵路）使用CF／GF強(qiáng)化環(huán)氧樹脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯制造雙層大容量高速客車，并將軸重保持在17t，與單層高速客車水平相同。

圖4 美國軍用FFW帽子Fig.4 FFW cap used in army

4 結(jié)束語

混雜纖維復(fù)合材料較單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有明顯的優(yōu)勢，是目前發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。尤其是在土木建筑領(lǐng)域，不僅需求量大，而且強(qiáng)度、剛度的提高對建筑物的使用具有重要影響，可以顯著增加建筑物的使用壽命和承載性能。對于混雜纖維最佳混合比例的研究目前也主要集中于這一領(lǐng)域。在其他領(lǐng)域如汽車、船舶、電子電器等，合理的搭配纖維的混雜比例可以有效地降低成本，可以有效地統(tǒng)籌協(xié)調(diào)制品的價(jià)格與性能。對于混雜纖維復(fù)合材料的發(fā)展，還存在一些可以研究和改進(jìn)的空間，其存在的問題主要有：

（1）目前對于混雜纖維的研究和混雜效應(yīng)的研究多集中于兩種纖維混雜，國內(nèi)外鮮有3種或3種以上的連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的研究報(bào)道。

（2）對于混雜纖維價(jià)格和性能的綜合考慮研究目前相對較少，現(xiàn)存理論模型簡單，不能精準(zhǔn)地確定最優(yōu)混雜比例，需要對理論模型進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

（3）連續(xù)型材的生產(chǎn)多依賴于拉擠成型工藝，但對于拉擠成型工藝中纖維的混雜區(qū)域位置和混雜分散性的好壞對于構(gòu)件性能的影響的相關(guān)研究較少，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)研究，以期獲得可廣泛使用的生產(chǎn)和混雜工藝。

（4）國內(nèi)對于混雜纖維的研究較多，但是實(shí)際應(yīng)用較少，還存在很多可以借鑒學(xué)習(xí)的地方，此外，開拓混雜纖維在民用基礎(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以降低成本，提高性能。

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