趙德方，董玉瑩，陽玉球，藤原清志，濱田泰以

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620； 2.馬自達汽車公司，日本 廣島 7340000；3.京都工藝纖維大學(xué)，日本 京都 6068799)

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絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的彎曲性能研究

趙德方1a，董玉瑩1a，陽玉球1b，藤原清志2，濱田泰以3

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620； 2.馬自達汽車公司，日本 廣島 7340000；3.京都工藝纖維大學(xué)，日本 京都 6068799)

摘要:通過對絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料進行三點彎曲、低周彎曲疲勞測試，研究了絲綢的加入對其彎曲性能的影響。結(jié)果表明：絲綢在第三層的混雜型復(fù)合材料的彎曲模量和強度在三種混雜型復(fù)合材料中最高，比絲綢在第一層的混雜型復(fù)合材料分別高出16.3%和8.1%。絲織物的經(jīng)緯方向雖有差異，但是在復(fù)合材料中沒有體現(xiàn)出來。55%，70%和85%三個預(yù)加載水平的低周彎曲疲勞對其沒有產(chǎn)生顯著的影響。絲綢的加入可以改善玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的抗彎曲疲勞性能。

關(guān)鍵詞:絲織物；玻璃纖維；氈增強復(fù)合材料；三點彎曲；低周彎曲疲勞

聚合物基復(fù)合材料和金屬、陶瓷、玻璃等傳統(tǒng)材料相比，具有許多優(yōu)點，例如低密度、輕質(zhì)高強、低成本、設(shè)計和組裝靈活、良好的尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕性[1-2]。玻璃纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，例如航空航天飛機的制造、汽車零部件、建筑材料、船舶制造等。

絲綢具有光澤柔和、手感細膩，吸濕性、透氣性良好，懸垂性優(yōu)良等特性，一直是人們青睞的高品質(zhì)服裝面料[3]。近年來，隨著自然資源的緊缺，人們的環(huán)保意識不斷增強，從可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟角度出發(fā)，各國相繼不同程度地開展起廢舊紡織服裝的回收工作[4]。因此，回收再利用廢舊絲綢服裝面料日益受到重視。

復(fù)合材料在使用的過程中，將受到彎曲、疲勞等作用，復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究一直是該領(lǐng)域的研究重點。當(dāng)復(fù)合材料在受到重復(fù)、間歇的外力作用時會發(fā)生疲勞，材料通常具有一個疲勞極限應(yīng)力，低于極限應(yīng)力時不會發(fā)生疲勞破壞。玻璃纖維增強復(fù)合材料和金屬材料相比，破壞更加復(fù)雜,因為在強度和剛度方面具有各向異性特征。事實上，玻璃纖維增強復(fù)合材料的非均勻和各向異性的性質(zhì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的應(yīng)力水平的變形，斷裂過程包括各種破壞模式的組合，例如基體開裂、纖維斷裂、脫粘、分層破壞。復(fù)合材料的疲勞斷裂破壞一般是整個材料破壞的積累，斷裂通過裂紋的擴展最終發(fā)生在材料的某一截面上[5]。許多研究者對復(fù)合材料的疲勞行為進行了研究：HWANG W等[6]提出了預(yù)測復(fù)合材料疲勞壽命的疲勞模量。KULKARNI N等[7]研究了泡沫夾心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行彎曲疲勞測試時的裂紋擴展，提出了一種基于局部破壞的模型。還有學(xué)者對玻璃纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進行了實驗和理論模擬，使用剛度降解作為監(jiān)測混雜復(fù)合材料彎曲性能破壞的研究方法[8-10]。YANG X等[11]和REN J等[12]研究了不同應(yīng)力水平對二維炭/炭復(fù)合材料疲勞行為的影響，提出了裂紋的緩慢擴展是動態(tài)疲勞斷裂的主要因素。BEYENE A T等[13]和MOVAGHGHAR A等[14]研究了玻璃纖維織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲疲勞的破壞機制，提出了預(yù)測疲勞壽命和評價累計損傷的能量模型。這些研究主要集中于對高性能纖維增強復(fù)合材料彎曲疲勞性能的探究，目前對絲織物/高性能纖維增強復(fù)合材料彎曲疲勞性能的研究鮮有報道。

本文采用新的絲織物和玻璃纖維氈作為增強體，不飽和樹脂作為基體，采用手糊成型的方法制作絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料，作為此研究的第一步，而后采用三點彎曲和低周彎曲疲勞測試方法研究絲綢的加入對于玻璃纖維氈增強復(fù)合材料彎曲性能的影響。

1　材料與方法

1.1材料

試驗采用的增強體是玻璃纖維氈和絲織物。玻璃纖維氈(#450，日本中央玻璃公司)的平方米質(zhì)量450 g/m2，玻璃纖維由長纖維切割而成，平均長度為50 mm，在纖維氈中呈雜亂分布，并由熱固性物質(zhì)加固而成。采用的絲織物是平紋縐布(京都工藝纖維大學(xué))，平方米質(zhì)量142 g/m2，織物表面具有褶皺，經(jīng)密580根/10 cm，緯密223根/10 cm。經(jīng)紗為復(fù)絲：28.9 dtex/4 f，無捻。緯紗的配置采用強捻紗與弱捻紗交替，強捻紗為復(fù)捻絲：23.3 dtex/12 f+23.3 dtex/3 f，弱捻紗也為復(fù)捻絲：23.3 dtex/3 f×5?；w采用的是不飽和樹脂150HRBQNTNW (Showa：RIGORAC)，固化劑為MEKPO(PERMEK N；NOF Corporation)。不飽和樹脂的基本信息如表1所示。

表1　不飽和樹脂的性能

1.2成型方法

本樣品采用手糊成型方法制作。首先，配制不飽和樹脂與固化劑的混合液，樹脂與固化劑的比例為100:0.7，稱取適量樹脂，按比例算出所需固化劑加入到樹脂中。然后藥匙攪拌使樹脂與固化劑充分混合，將混合液放入真空干燥箱中抽真空排出氣泡。在工作臺上鋪一層干凈的PET膜，倒適量配好的樹脂于PET膜上，將玻璃纖維氈放在樹脂上，用小羅拉輕推樹脂使纖維氈得到充分浸潤，再倒一部分樹脂于纖維氈上，用小羅拉輕推樹脂使纖維氈得到進一步浸潤，當(dāng)纖維氈全部浸潤后鋪第二層纖維氈，重復(fù)上述工作直至所有鋪層完成。取另一張干凈的PET膜輕輕蓋在纖維氈上，用金屬輥邊推邊壓表面，把多余的樹脂推到兩邊，起到趕走氣泡和密封的作用。在完成鋪層的材料兩邊放上相同厚度的鋁片，以控制復(fù)合材料的厚度，在復(fù)合材料上方壓上鐵板及重物，在室溫下放置12 h進行固化。12 h后，拿出已固化的材料板放進烘箱進行后固化處理，烘箱溫度為55 ℃，烘燥時間為1 h。

1.3層合板結(jié)構(gòu)

由手糊成型方法制備的復(fù)合材料有四種，每種復(fù)合材料有五層，層合板結(jié)構(gòu)如圖1所示。以圖1(c)為例，絲織物在復(fù)合材料的第五層，其余四層都是玻璃纖維氈。測得成型后混雜復(fù)合材料中玻璃纖維和絲纖維的體積分數(shù)分別在14.5%和2.4%左右，玻璃纖維氈增強復(fù)合材料中玻璃纖維的體積分數(shù)在22.0%左右。

1.4試驗

1.4.1三點彎曲

三點彎曲試驗采用的儀器是電子萬能試驗機，型號是QJ-212C。測試速度1 mm/min，至少測試三個試樣。按照國標(biāo)GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，樣品尺寸(90±0.5)mm×(15±0.5)mm×(4.5±0.2)mm，測試時采用的跨距為72 mm。

圖1層合板結(jié)構(gòu)

Fig.1The structure of lamination

1.4.2低周彎曲疲勞

采用定載荷疲勞，分別取彎曲試驗中最大彎曲載荷的55%、70%和85%作為低周彎曲疲勞測試的三個預(yù)加載水平，設(shè)定疲勞的次數(shù)為30次。在疲勞的過程中，每3個循環(huán)記錄一次彎曲模量，以考察在疲勞的過程中彎曲疲勞行為。在完成30次低周疲勞后，進行三點彎曲測試，直至試樣彎曲破壞。將低周疲勞后最終彎曲斷裂試樣的彎曲性能和未進行低周疲勞測試正常彎曲試樣進行比較，確定低周疲勞對試樣是否產(chǎn)生了顯著影響。低周疲勞的測試速度為1 mm/min，重復(fù)三個試樣。

為了簡化試樣的名稱，對試樣進行了英文縮寫，縮寫所代表的含義如表2所示。

表2　試樣名稱縮寫

2　結(jié)果與分析

2.1三點彎曲

試樣彎曲破壞的過程由攝像機記錄(拍攝時相機放在兩個下壓頭中間，對著試樣的底面拍攝，是仰視圖，正視圖如圖2右下角所示)。所有類型的絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料具有相似的破壞過程。以典型試樣3-W為例(圖2)，試樣的彎曲破壞過程可以分為五個階段：第1階段，上壓頭開始接觸試樣，是試樣的初試狀態(tài)；第2階段，在試樣中間開始出現(xiàn)裂紋，此時的載荷接近試樣能承受的最大載荷；第3階段，裂紋不斷的擴展和增長，這個階段的時間較短；第4階段，此時達到試樣所能承受的最大載荷，試樣發(fā)生了彎曲斷裂；第5階段，試樣最終彎曲斷裂。玻璃纖維氈增強復(fù)合材料彎曲破壞的過程和混雜型復(fù)合材料沒有明顯的區(qū)別。

圖2　絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料彎曲斷裂的過程Fig.2　Bending failure process of silk fabric/glass fiber mat hybrid reinforced composite

試樣的彎曲模量和強度如圖3所示。以1-W、3-W、5-W比較為例，當(dāng)絲綢在復(fù)合材料的中間一層時，彎曲模量和彎曲強度分別是5.7 GPa和144.2 MPa，在這三種混雜復(fù)合材料中最高，比絲綢在第一層時的復(fù)合材料分別高出16.3%和8.1%。而且這種混雜復(fù)合材料最接近玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的彎曲模量和強度，特別是彎曲模量。絲綢在第一層和第五層時復(fù)合材料的彎曲模量和強度相差不大。當(dāng)絲綢在復(fù)合材料的某一層時，雖然絲織物的經(jīng)緯向存在差異(徑向拉伸強度為464 N，緯向拉伸強度為381 N)，但是復(fù)合材料的0°和90°方向上的彎曲模量和強度相差不大。因此，絲織物的經(jīng)緯向?qū)祀s復(fù)合材料的彎曲性能影響不明顯。

圖3　彎曲模量和彎曲強度比較Fig.3　Comparison of flexural modulus and flexural strength

彎曲過程中最大撓度測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)絲綢在第五層時，彎曲撓度最大；在第一層時，彎曲撓度次之；在中間一層時，彎曲撓度最小。因此，絲綢在復(fù)合材料中的積層位置對混雜復(fù)合材料的彎曲性能產(chǎn)生了顯著的影響。

圖4　彎曲過程中的最大撓度比較Fig.4　Comparison of maximum deflection in bending

試樣的光學(xué)觀察照片如圖5所示。從圖5可以看出：試樣彎曲破壞的主要模式是壓縮破壞，裂紋從拉伸面向壓縮面擴展。與絲綢在第一層、第五層的試樣相比，絲綢在復(fù)合材料中間一層的試樣縱向裂紋長度相對較短，并且裂紋只擴展到絲織物附近，沿著加載的方向，絲織物的下方幾乎看不到裂紋的擴展。當(dāng)絲綢在復(fù)合材料的第一層時，絲織物主要受到壓縮作用；當(dāng)絲綢在第五層時，主要受到拉伸作用；而當(dāng)絲綢在中間一層時，受到的拉和壓作用都比較弱。分析認為，玻璃纖維氈在復(fù)合材料中比絲織物能承受更強的彎曲作用，而且絲織物的存在阻止了裂紋的進一步擴展，使試樣在彎曲過程的分層現(xiàn)象減弱，提高了玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的抗分層能力，使試樣抗彎曲能力提高。因此，絲綢在中間一層的混雜復(fù)合材料的彎曲模量和強度最高。

當(dāng)絲綢在復(fù)合材料某一層時，復(fù)合材料試樣的0°和90°方向上的縱向裂紋長度接近，裂紋的擴展情況和分層情況也十分類似。因此，沿著絲織物的經(jīng)緯向，復(fù)合材料0°和90°方向上的彎曲性能相差不大。

圖5　彎曲斷裂試樣的光學(xué)觀察照片F(xiàn)ig.5　The optical micrographs of bending fracture sample

當(dāng)絲綢在復(fù)合材料的第五層時，縱向裂紋長度最大；在第一層時，縱向裂紋長度次之；在中間一層時，縱向裂紋長度最小。因此，當(dāng)絲綢在第五層時，彎曲撓度最大；在第一層時，彎曲撓度次之；在中間一層時，彎曲撓度最小。

2.2低周彎曲疲勞

圖6　55%、70%和85%預(yù)加載水平低周彎曲疲勞過程中的 彎曲模量Fig.6　Flexural modulus during 55%, 70% and 85% pre-load low cycle bending fatigue (LCBF ) process

在55%、70%和85%預(yù)加載水平下，彎曲疲勞過程中的彎曲模量如圖6所示，彎曲疲勞前后的彎曲模量如圖7所示。圖中顯示，55%和70%預(yù)加載水平的低周疲勞對混雜復(fù)合材料和玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的彎曲模量的影響都不大。絲綢在混雜復(fù)合材料的積層位置和絲織物的經(jīng)緯向?qū)Φ椭軓澢诘挠绊懖淮?。例如?5%預(yù)加載水平下，當(dāng)絲綢在第一層沿著絲織物的經(jīng)向時(即1-W)，疲勞過程中的彎曲模量為5.0 GPa左右，在疲勞過程中的變化不大。正常彎曲的模量為4.9 GPa，彎曲疲勞后的模量為4.6 GPa，疲勞前后的模量下降率為6.1%，小于10%。比較1-W、3-W和5-W，疲勞前后的模量下降率都小于10%，并且差異不大，說明絲綢在復(fù)合材料中的積層位置對55%載荷水平的彎曲疲勞影響不大。比較1-W和1-F，疲勞前后的模量下降率也都小于10%，差異也不大，說明絲織物的經(jīng)緯向?qū)?5%預(yù)加載水平的彎曲疲勞影響也不大。

對于85%預(yù)加載水平低周疲勞，則出現(xiàn)了不同的情況。1-F在彎曲疲勞過程中模量為4.8 GPa左右，CV值為2.6%，在疲勞過程中的模量變化不大，正常彎曲試樣的模量為4.7 GPa，彎曲疲勞后的模量為4.5 GPa，彎曲疲勞前后的模量變化也不大。可知85%預(yù)加載水平的彎曲疲勞對1-F的彎曲模量影響不大，對于其他幾種類型混雜復(fù)合材料影響也不大。而另一方面，玻璃纖維氈增強復(fù)合材料試樣分別在24、25和27次低周疲勞時發(fā)生了彎曲斷裂，說明85%預(yù)加載水平的彎曲疲勞對玻璃纖維氈增強復(fù)合材料產(chǎn)生了顯著的影響。

圖7　55%、70%和85%預(yù)加載水平低周彎曲疲勞前后的彎曲模量對比Fig.7　Comparison of flexural modulus before and after 55%, 70% and 85% pre-load LCBF

圖8為55%、70%和85%預(yù)加載水平低周彎曲疲勞前后的彎曲強度對比。在55%和70%預(yù)加載水平下，彎曲疲勞前后的彎曲強度下降率小于10%，說明55%和70%預(yù)加載水平的低周彎曲疲勞對混雜復(fù)合材料和玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的彎曲強度沒有產(chǎn)生顯著的影響；絲綢在復(fù)合材料中的積層位置和絲織物的經(jīng)緯向?qū)Φ椭軓澢谟绊懸膊淮蟆?/p>

對于85%預(yù)加載水平低周疲勞，情況則不同?；祀s復(fù)合材料的疲勞前后彎曲強度下降率小于10%，而玻璃纖維氈增強復(fù)合材料彎曲強度下降率大于10%，并且試樣在彎曲疲勞的過程中發(fā)生斷裂，說明85%預(yù)加載水平的彎曲疲勞對混雜復(fù)合材料影響不大；絲綢在復(fù)合材料中的積層位置及絲織物的經(jīng)緯向的差異也不明顯，然而對玻璃纖維氈增強復(fù)合材料產(chǎn)生了顯著的影響。由此可見，絲織物的加入增強了玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的抗彎曲疲勞性能。

圖8　55%、70%和85%預(yù)加載水平低周彎曲疲勞前后的r彎曲強度對比Fig.8　Comparison of flexural strength before and after 55%, 70% and 85% pre-load LCBF

圖9　兩種類型復(fù)合材料在85%預(yù)加載水平彎曲疲勞后r彎曲斷裂的光學(xué)觀察照片對比Fig.9　Comparison of bending failure optical micrographs of two composites after 85% pre-load LCBF

在低周彎曲疲勞作用下，兩種不同類型復(fù)合材料彎曲破壞后試樣的光學(xué)觀察照片如圖9所示。以85%預(yù)加載水平低周彎曲疲勞作用下絲綢在第三層的混雜復(fù)合材料為例，與玻璃纖維氈增強復(fù)合材料相比，縱向裂紋長度相對較短，整體裂紋擴展情況和分層現(xiàn)象相對較輕。說明絲綢的加入，在一定程度上阻止了裂紋的擴展，提高了試樣的載荷承受能力，增強了玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的抗彎曲疲勞性能。

3　結(jié)　論

1)當(dāng)絲綢在復(fù)合材料的中間一層時，彎曲模量和彎曲強度在三種混雜復(fù)合材料中最高，比絲綢在第一層的復(fù)合材料分別高出16.3%和8.1%。當(dāng)絲綢在第五層時，彎曲撓度最大；在中間一層時，彎曲撓度最小，說明絲綢在復(fù)合材料中的積層位置對絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的彎曲性能產(chǎn)生了顯著的影響。沿著絲織物的經(jīng)緯向，復(fù)合材料的彎曲性能相差不大。

2)絲綢在復(fù)合材料中間一層時，當(dāng)試樣在進行彎曲測試時，絲綢受到的拉伸和壓縮作用相對較小，絲綢的存在阻止了裂紋的進一步擴展，使試樣在彎曲過程的分層現(xiàn)象減弱，提高了玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的抗分層能力，試樣抗彎曲能力得到提高。

3)55%、70%和85%三個預(yù)加載水平的低周彎曲疲勞對絲織物/玻璃纖維氈增強復(fù)合材料沒有產(chǎn)生顯著的影響。絲綢在復(fù)合材料的積層位置和絲織物的經(jīng)緯向?qū)Φ椭軓澢诘挠绊懖淮蟆?5%和70%預(yù)加載水平低周彎曲疲勞對玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的影響也不顯著。然而在85%以上預(yù)加載水平下，玻璃纖維氈增強復(fù)合材料在疲勞的過程中發(fā)生了彎曲破壞。

4)絲綢的加入，在一定程度上阻止了裂紋的擴展，增強了玻璃纖維氈增強復(fù)合材料的抗彎曲疲勞性能。

志謝：在本文寫作過程中，鈴木繪里加、菊地哲雄(東雄技研會社)，古川貴士(株式會社菱健)，高井由佳(大阪產(chǎn)業(yè)大學(xué))提供了試驗材料、理論和技術(shù)支持，在此表示衷心感謝！

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DOI:研究與技術(shù)10.3969/j.issn.1001-7003.2016.04.001

收稿日期:2015-08-05; 修回日期:2016-03-14

作者簡介:趙德方(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為玻璃纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。通信作者：陽玉球，副教授，amy_yuqiu_yang@dhu.edu.cn。

中圖分類號:TS101.921

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-7003(2016)04-0001-07引用頁碼:041101

Study on bending properties of silk fabric and glass fiber mat reinforced composites

ZHAO Defang1a, DONG Yuying1a, YANG Yuqiu1b, KIYOSHI Fujiwara2, HIROYUKI Hamada3

(1a.College of Textiles; 1b.Key Laboratory of Textile Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China;2.Mazda Motor Corporation, Hiroshima 7340000, Japan; 3.Kyoto Institute of Technology, Kyoto 6068799, Japan)

Abstract:In this paper, the impact of mixing silk fabric on the bending properties of silk fabric and glass fiber mat reinforced composites are investigated by conducting three point bending and low cycle bending fatigue tests.The experimental result shows that hybrid composites with silk fabric in the third layer has highest flexural strength and flexural modulus among three kinds of hybrid composites, it’s 16.3% and 8.1% higher than these of hybrid composites with silk fabric in the first layer respectively.The warp and filling direction of silk fabric are different, but they are not shown in composites.55%, 70% and 85% pre-load levels of low cycle bending fatigue (LCBF) had no significant effects on silk fabric and glass fiber mat reinforced composites.Mixing silk fabric can strengthen the anti-bending fatigue property of glass fiber mat reinforced composites.

Key words:silk fabric; glass fiber; mat reinforced composites; three point bending; low cycle bending fatigue (LCBF)