郝 露，孫 穎，張鶴江，李嘉祿

(天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料天津市和教育部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，復(fù)合材料研究所，天津 300387)

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芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

郝 露，孫 穎，張鶴江，李嘉祿

(天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料天津市和教育部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，復(fù)合材料研究所，天津 300387)

基于三維五向和三維六向編織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備了4種芳綸/炭混編三維編織環(huán)氧復(fù)合材料，對(duì)比分析了芳綸/炭纖維混編方式(混編比)對(duì)三維五向和三維六向編織復(fù)合材料縱向拉伸性能、縱向和橫向彎曲性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一種混編方式下，芳綸/炭三維五向編織復(fù)合材料縱向拉伸和彎曲性能均高于三維六向編織復(fù)合材料，而其橫向彎曲性能均低于三維六向編織復(fù)合材料；同一種編織結(jié)構(gòu)下，炭纖維為軸紗/六向紗的芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料縱向拉伸和彎曲性能較高；炭纖維為編織紗、芳綸纖維為軸紗的三維五向編織復(fù)合材料和芳綸纖維為編織紗、炭纖維為軸紗/六向紗的三維六向編織復(fù)合材料的橫向彎曲性能和抗裂紋擴(kuò)展能力明顯提高。通過設(shè)計(jì)芳綸和炭纖維的混編方式，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性。

三維編織復(fù)合材料；混編方式；拉伸；三點(diǎn)彎曲

0 引言

三維編織復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)不分層、整體成型性好、設(shè)計(jì)靈活、抗沖擊損傷容限高等特點(diǎn)。三維編織預(yù)制件可近凈尺寸成型異型構(gòu)件[1-2]，逐漸成為承力結(jié)構(gòu)件和具有某些特殊功能復(fù)合材料構(gòu)件的備選材料之一，用于航天和國(guó)防等高技術(shù)領(lǐng)域[3-4]。常用的三維五向和三維六向編織復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)在特定方向上的性能設(shè)計(jì)。將高斷裂伸長(zhǎng)率的芳綸纖維與低斷裂伸長(zhǎng)率的炭纖維混雜制得的混雜復(fù)合材料，兼顧了強(qiáng)度、剛度、韌性和質(zhì)量等特性，既提高了芳綸纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，又增強(qiáng)了炭纖維復(fù)合材料的沖擊韌性。

Kostar[5]研究了芳綸與炭纖維混雜比1∶1、混雜方式為雙側(cè)混雜的三維四向編織復(fù)合材料拉伸性能，發(fā)現(xiàn)混雜復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和模量均高于單一芳綸纖維和炭纖維三維編織環(huán)氧復(fù)合材料。Wan[6-7]研究了芳綸纖維體積比分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，芳綸/炭混雜三維四向編織馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料彎曲性能、剪切性能和沖擊性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，芳綸與炭纖維混雜比為2∶3的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量最大，均高于任何一種單一纖維復(fù)合材料；增加芳綸纖維比例可提高混雜復(fù)合材料的抗沖擊性能。谷李華[8]采用了與Wan相同的混雜比和混雜方式，對(duì)芳綸/炭混雜編織物進(jìn)行(NH4)2HPO4+H3PO4處理，制備了芳綸/炭混雜三維四向編織環(huán)氧復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著芳綸纖維比例的增加，沖擊強(qiáng)度得到了很大的改善；隨著炭纖維比例的增加，材料彎曲性能顯著提高，表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)。混雜纖維復(fù)合材料包括纖維混雜和幾何混雜兩個(gè)層次[9]，纖維混雜是指不同纖維間的混合；幾何混雜是指編織結(jié)構(gòu)不同位置上采用不同的纖維。作為幾何混雜形式之一，混編是指編織紗、軸紗和六向紗分別采用不同的纖維進(jìn)行混和編織。以上研究工作大多圍繞纖維混雜三維編織復(fù)合材料開展。與纖維混雜的芳綸/炭混雜復(fù)合材料不同，混編三維編織復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，加工過程對(duì)纖維損傷最小。方丹丹[10]探討了炭纖維體積比分別為0%、20%、40%、60%、75%、82%和100%時(shí)，編織紗為炭纖維或玻璃纖維，軸紗為玻璃纖維或炭纖維交互布置的7種混編方式玻璃/炭混編三維五向編織環(huán)氧復(fù)合材料低速?zèng)_擊和沖擊后彎曲性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混編方式嚴(yán)重影響沖擊和彎曲性能。

本文基于三維五向和三維六向編織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了炭纖維作為編織紗、芳綸作為軸紗/六向紗，以及芳綸作為編織紗、炭纖維作為軸紗/六向紗2種混編方式。采用樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，RTM)工藝，制備了4種芳綸/炭混編三維編織環(huán)氧復(fù)合材料，對(duì)比分析了芳綸/炭纖維混編方式(混編比)對(duì)三維五向和三維六向編織復(fù)合材料縱向拉伸性能和縱向、橫向彎曲性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

為了使材料在特定方向上具有較突出的性能，在三維四向編織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上編入或同時(shí)編入平行于編織方向、寬度方向和厚度方向的軸紗、六向紗和七向紗，可分別形成三維五向、六向和七向編織結(jié)構(gòu)，如圖1所示[11]。其中，以三維五向和三維六向編織結(jié)構(gòu)較為常用。文中芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料的芳綸選用杜邦Kevlar49，細(xì)度為1580dTex×4合股，炭纖維選用日本東麗公司T700，細(xì)度為12K，基體為環(huán)氧/酸酐樹脂體系，主體樹脂選用天津晶東化學(xué)復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的TDE 86#環(huán)氧樹脂，組分材料參數(shù)見表1。在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所自制的三維編織機(jī)上編織預(yù)制件，采用樹脂傳遞模塑(RTM)工藝，制備4種復(fù)合材料平板大樣，參數(shù)如表2所示。

(a)三維四向 (b)三維五向

(c)三維六向 (d)三維七向圖1 三維編織結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.1 Schematic of 3D braided structure[11]

表1 組分材料參數(shù)表[5，12]Table1 Parameters of the ingredients

三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境、操作方法參照《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》(GB/T 1446—2005)，拉伸和彎曲性能測(cè)試參照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T 1447—2005)和《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》(GB/T 1449—2005)。采用島津AG-250KNE型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，由電阻應(yīng)變片測(cè)定應(yīng)變，YD-15 型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采集信號(hào)。依據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)大樣切割制樣，如圖2所示，拉伸、彎曲試樣尺寸分別為250mm×25mm×4mm、80mm×15mm×4mm，每組5個(gè)試樣取平均。試樣編號(hào)原則為：首字母為加載方向(L=longitudinal，T=transverse)，第二個(gè)字母為加載形式(T=Tension，F(xiàn)=Flexure)，最后為序號(hào)。

表2 芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料參數(shù)Table2 Specifications of K/C hybrid 3D braided composites

圖2 實(shí)驗(yàn)取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental sampling

2 結(jié)果與討論

2.1 縱向拉伸性能

芳綸/炭混編三維五向和六向編織復(fù)合材料縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3，在試樣拉伸破壞之前，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，基本保持一條直線。

縱向拉伸性能基本指標(biāo)如表3所示。與同一種混編方式下三維六向編織復(fù)合材料相比，三維五向編織復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、模量和泊松比更高，而斷裂伸長(zhǎng)率更低。其中，拉伸強(qiáng)度分別高出51.5%和11.7%、拉伸模量分別高出16.9%和4.8%、泊松比分別高出35.4%和33.3%。纖維體積含量相近時(shí)，三維五向編織復(fù)合材料軸紗含量高；同時(shí)，六向紗的引入限制了復(fù)合材料寬度方向的變形，導(dǎo)致泊松比略低。軸紗為炭纖維的三維五向編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量分別高出軸紗為芳綸纖維復(fù)合材料的1.3%和22.3%，軸紗為炭纖維的三維六向編織復(fù)合材料分別高出軸紗為芳綸纖維復(fù)合材料的37.4%和36.4%，這是由于炭纖維作為軸紗，其強(qiáng)度和模量高于芳綸纖維。軸紗是承受縱向拉伸載荷的主力，在很大程度上影響著復(fù)合材料縱向拉伸性能。

圖3 芳綸/炭混編三維五向和六向編織復(fù)合材料縱向拉伸初始階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Initial stage stress-strain curves of K/Chybrid 3D5d and 3D6d braided compositesunder longitudinal tension

表3 芳綸/炭混編三維五向和三維六向編織復(fù)合材料縱向拉伸性能Table3 Longitudinal tensile properties of K/C hybrid 3D5dand 3D6d braided composites

無(wú)論三維五向還是三維六向編織復(fù)合材料，在縱向拉伸過程中，復(fù)合材料表面很薄的樹脂層首先產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸增生擴(kuò)展，直至纖維束承載至斷裂。在拉伸承載過程中，試樣發(fā)出輕微的響聲。其中，軸紗/六向紗為芳綸纖維的三維編織復(fù)合材料在拉伸一段時(shí)間后，才發(fā)出斷裂響聲直至拉斷，軸紗/六向紗為炭纖維的三維編織復(fù)合材料的斷裂響聲貫穿承載全過程。

試樣宏觀拉伸斷口觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，第一種混編方式下，芳綸和炭纖維同時(shí)被拉長(zhǎng)，芳綸纖維完全斷裂后絲束無(wú)連接；第二種混編方式下，斷口處芳綸纖維毛羽多，不規(guī)整，纖維明顯拉長(zhǎng)，炭纖維斷口平整，如圖4所示。這是因?yàn)镵evlar-49纖維斷裂伸長(zhǎng)率為2.4%，T700炭纖維斷裂伸長(zhǎng)率為1.0%，拉伸承載過程中，斷裂伸長(zhǎng)率低的炭纖維先發(fā)生斷裂，芳綸纖維被拉得更長(zhǎng)至斷裂，且芳綸纖維部分?jǐn)嗔押螅z束仍保持連接，抽拔嚴(yán)重。無(wú)論哪種混編方式，三維五向編織復(fù)合材料斷口略傾斜呈鋸齒狀，纖維抽拔嚴(yán)重，而三維六向編織復(fù)合材料斷口基本平齊，纖維束呈現(xiàn)正應(yīng)力的拉斷特征。觀測(cè)斷口處纖維發(fā)現(xiàn)，三維五向較三維六向編織復(fù)合材料中，炭纖維從樹脂中拔出，斷口處纖維間樹脂出現(xiàn)粉碎性破壞，炭纖維斷面層次規(guī)整，呈現(xiàn)脆性破壞特性。芳綸纖維與樹脂脫粘，芳綸絲束屈曲、伸長(zhǎng)大、規(guī)整度差，斷口處出現(xiàn)劈裂和微纖化，呈現(xiàn)塑性破壞特性，與宏觀現(xiàn)象吻合。

圖4 4種芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料縱向拉伸破壞形貌圖Fig.4 Longitudinal tensile fracture morphologies of fourK/C hybrid 3D braided composites

2.2 縱向和橫向彎曲性能

芳綸/炭混編三維五向和六向編織復(fù)合材料的縱向和橫向彎曲載荷-撓度曲線分別如圖5所示，曲線在初始階段呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。芳綸作為軸紗和六向紗的三維編織復(fù)合材料的彎曲載荷-撓度曲線達(dá)到最大值后，緩慢下降至平緩，呈現(xiàn)出明顯的塑性變形特征。炭纖維作為軸紗和六向紗的三維編織復(fù)合材料的彎曲載荷-撓度曲線達(dá)到最大載荷后迅速下降，呈現(xiàn)出顯著的脆性變形特征。

(a)縱向彎曲

(b)橫向彎曲

表4 芳綸/炭混編三維五向和三維六向編織復(fù)合材料縱向/橫向彎曲性能Table4 Bending properties in the both longitudinaland transverse of the composites

結(jié)合表4中縱向彎曲性能結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，與同一種混編方式下三維六向編織復(fù)合材料相比，三維五向編織復(fù)合材料的縱向彎曲強(qiáng)度和模量分別高了19.4%和17.5%、82.2%和78.8%。纖維體積含量相近時(shí)，三維五向編織復(fù)合材料軸紗含量高，軸紗對(duì)縱向彎曲性能貢獻(xiàn)大 。炭纖維為軸紗的三維五向編織復(fù)合材料縱向彎曲強(qiáng)度和模量分別高出芳綸纖維為軸紗復(fù)合材料的63.2%和11.9%，炭纖維為軸紗/六向紗的三維六向復(fù)合材料高出芳綸纖維為軸紗/六向紗復(fù)合材料的65.8%和9.8%。對(duì)于三維五向編織復(fù)合材料，雖然第1種混編方式材料的炭纖維混編比高于第2種混編方式，但后者的彎曲強(qiáng)度和模量較高。這是因?yàn)樘坷w維軸向強(qiáng)度和模量高于芳綸纖維，說(shuō)明軸紗材料特性和混編方式對(duì)三維編織材料縱向彎曲性能的影響很大。

橫向彎曲性能對(duì)比結(jié)果可看出，炭纖維為編織紗、芳綸纖維為軸紗的三維五向編織復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量高出芳綸為編織紗、炭纖維為軸紗的材料。這是因?yàn)槿S五向編織復(fù)合材料承受橫向彎曲載荷時(shí)多為傾斜的編織紗和樹脂，由于芳綸表面極性官能團(tuán)較少、表面光滑，與樹脂基體界面的粘接性能差，而T700炭纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力較好。炭纖維為軸紗/六向紗的三維六向編織復(fù)合材料橫向彎曲強(qiáng)度和模量較芳綸纖維為軸紗/六向紗的復(fù)合材料分別高出42.3%和11%，且明顯高出三維五向編織復(fù)合材料。這是因?yàn)闄M向彎曲時(shí)六向紗主要承載，六向紗材料特性直接影響橫向彎曲性能；同時(shí)，六向紗的引入增強(qiáng)了三維六向編織復(fù)合材料的橫向彎曲性能。

(a)縱向彎曲

(b)橫向彎曲

縱向和橫向彎曲變形照片(圖6)可看出，卸載后試樣側(cè)面變形不大，和文獻(xiàn)[2]中單一炭纖維復(fù)合材料相比，沒有發(fā)生脆性斷裂，而僅僅是塑性變形。三點(diǎn)彎曲時(shí)，上表面產(chǎn)生裂紋較下表面的受拉面減少，主要為纖維損傷。裂紋一是由于夾具頭的機(jī)械壓傷；二是由于彎折擠壓作用。下表面樹脂基體產(chǎn)生了許多微小裂紋，且由中間受力點(diǎn)向試件兩端擴(kuò)展并逐漸減少，隨著彎曲載荷的增大，造成樹脂和纖維脫粘。三維六向編織復(fù)合材料表面裂紋和纖維損傷較三維五向編織復(fù)合材料少，這是因?yàn)榱蚣喥鸬搅艘龑?dǎo)裂紋擴(kuò)展的作用。炭纖維為編織紗的三維五向編織復(fù)合材料表面裂紋較芳綸纖維為編織紗的復(fù)合材料材料裂紋少。

3 結(jié)論

(1)第1種混編方式下，三維五向編織復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度、模量和泊松比分別高出三維六向編織復(fù)合材料51.5%、16.9%和35.4%，第2種混編方式下分別高出11.7%、4.8%、33.3%。三維五向編織結(jié)構(gòu)下，第2種混編方式的縱向拉伸強(qiáng)度和模量分別高出第1種混編方式1.3%和22.3%，三維六向編織結(jié)構(gòu)下分別高出37.4%和36.4%。因此，芳綸纖維為編織紗、炭纖維為軸紗(第2種混編方式)的三維五向編織復(fù)合材料縱向拉伸性能較好。

(2)第1種混編方式下，三維五向編織復(fù)合材料的縱向彎曲強(qiáng)度和模量較三維六向編織復(fù)合材料高出19.4%、82.2%，第2種混編方式下分別高出17.5%和78.8%。三維五向編織結(jié)構(gòu)下，第2種混編方式三維編織復(fù)合材料縱向彎曲強(qiáng)度和模量分別高出第一種混編方式63.2%和11.9%，三維六向編織結(jié)構(gòu)下分別高出65.8%、9.8%。因此，芳綸纖維為編織紗、炭纖維為軸紗(第2種混編方式)的三維五向編織復(fù)合材料縱向彎曲性能較好。

(3)無(wú)論哪種混編方式，三維六向編織復(fù)合材料的橫向彎曲性能高于三維五向復(fù)合材料。第2種混編方式的三維六向編織復(fù)合材料橫向彎曲強(qiáng)度和模量較第1種混編方式高出42.3%和11%。因此，炭纖維為編織紗、芳綸纖維為軸紗(第1種混編方式)的三維五向編織復(fù)合材料和芳綸纖維為編織紗、炭纖維為軸紗/六向紗(第2種混編方式)的三維六向編織復(fù)合材料橫向彎曲性能和抗裂紋擴(kuò)展能力明顯較高。

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(編輯：薛永利)

Experimental investigation on the mechanical properties of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites

HAO Lu，SUN Ying，ZHANG He-jiang，LI Jia-lu

(Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Tianjin and Ministry of Education， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Based on the 3D 5-directional(5d)and 6-directional(6d)braided structure, four kinds of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites were prepared.Then,the influence of hybrid style or hybrid percentage on the longitudinal tensile properties and the flexural properties in both longitudinal and transverse directions of 3D5d and 3D6d braided composites were investigated.With the same hybrid style,the experimental studies show that both tension and flexural properties in longitudinal direction of 3D 5d braided composites are higher than those of 3D 6d braided composites,but its flexural properties in transverse direction are lower than those of 3D 6d braided composites.With the same braided structure,the tensile and flexural properties in longitudinal direction of the hybrid composites using carbon fiber as axial yarn and transverse yarn are higher than others. When 3D 5d braided composites using carbon fiber as braided yarn,Kevlar fiber as axial yarn and 3D 6d braided composites using Kevlar fiber as braided yarn,carbon fiber as axial and transverse yarn,it is found that their flexural properties in transverse and the crack propagation resistant are improved obviously.Through the tailor of Kevlar/carbon hybrid style,the designability of Kevlar/carbon hybrid 3D multi-directional braided composites can be realized further.

three-dimension braided composites；the hybrid style；tension；three point bending

2014-08-20；

：2014-09-26。

基金基目：國(guó)家自然基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(11102133)；國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局項(xiàng)目(201210260)。

郝露(1988—)，女，碩士生，研究方向?yàn)槿S編織復(fù)合材料。E-mail：haolude1314@126.com

孫穎(1974—)，女，教授，研究方向?yàn)榧徔椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備與性能。E-mail：sunying@tjpu.edu.cn

V448.15

A

1006-2793(2015)04-0727-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.023