魯媛媛，廖 凱，孟志新

(西安航空學(xué)院 材料工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

樹脂基復(fù)合材料因質(zhì)輕、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)在航空航天及民用領(lǐng)域得到了快速發(fā)展[1-3]。玄武巖纖維是由天然玄武巖礦石破碎以后放入熔窯內(nèi)并在1450℃～1500℃熔融，再通過拉絲、冷卻而成的[4-5]。玄武巖纖維有著優(yōu)良的耐高溫性和耐蝕性，其應(yīng)用溫度在-260℃～900℃，與只能在-60℃～350℃范圍內(nèi)使用的玻璃纖維相比具有更廣闊的應(yīng)用前景[6]。除此之外，玄武巖纖維原料還有來源廣、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好和環(huán)境良好等一系列優(yōu)點(diǎn)[7]，使得其在一定領(lǐng)域可以替代昂貴的碳纖維，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷趨于成熟，玄武巖纖維已很好地應(yīng)用于道路、橋梁等建筑領(lǐng)域[8-9]。

復(fù)合材料通常由基體和增強(qiáng)體組成，其中增強(qiáng)體的形態(tài)可以分為顆粒狀、片狀、纖維狀和編織物，增強(qiáng)體的形態(tài)在很大程度上影響著復(fù)合材料的性能[10-11]。即使增強(qiáng)體同樣為編織物，其編織方法的不同也會(huì)使復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)生很大變化。玄武巖纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體大多是以編織物的形式存在，而隨著紡織業(yè)的發(fā)展，越來越多的纖維編織方法隨之而生。纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的原理是通過紡織技術(shù)將性能優(yōu)良的纖維編織成具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的整體，通常被用作樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上取決于增強(qiáng)體與樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度[12-13]。當(dāng)復(fù)合材料受到外力時(shí)，作用在樹脂基體上的載荷將會(huì)傳遞給增強(qiáng)體，從而提升復(fù)合材料的力學(xué)性能[14]。因此，探究玄武巖纖維編織方法對(duì)其樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響具有重要意義。

本文主要采用平紋和斜紋兩種編織方法的玄武巖纖維制備出的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，通過三點(diǎn)彎曲、拉伸等方法檢測(cè)其力學(xué)性能，并利用掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌，探究纖維編織方法對(duì)其增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

采用的主要原料為：平紋和斜紋編織的玄武巖纖維布、E51(618)環(huán)氧樹脂、D-230固化劑、消泡劑。環(huán)氧樹脂和固化劑的配比：根據(jù)計(jì)算公式(胺用量=活潑氫當(dāng)量×環(huán)氧值)，環(huán)氧樹脂的平均環(huán)氧值為0.51，固化劑D-230的活潑氫當(dāng)量為61g/eq，因此100g的E-51環(huán)氧樹脂需要D-230固化劑用量為31.1g。

1.2 制備方法

選取預(yù)浸料鋪層熱壓法作為本次實(shí)驗(yàn)制備玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的方法，分別將裁剪好的平紋和斜紋玄武巖纖維布鋪入模具，且每鋪一層澆鑄上配比好的環(huán)氧樹脂與固化劑浸漬液，將其均勻推開，重復(fù)上述步驟，直到試樣達(dá)到一定厚度。之后在一定的壓力和溫度下熱壓燒結(jié)，并在冷卻后脫模得到兩組玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

1.3 分析方法

分別采用QJ211S型三點(diǎn)彎曲設(shè)備、sans CMT-5304型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲性能、拉伸性能測(cè)試，檢測(cè)條件和試樣尺寸均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1449-2005[15]和GB/T 3354-2014[16])執(zhí)行；之后利用JMS-6510A型掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維重量比計(jì)算

重量比是一種物質(zhì)占混合物的比重，通過重量比的計(jì)算可以得出纖維增強(qiáng)體在復(fù)合材料中所占的比重。

制備復(fù)合材料的過程中，稱得平紋玄武巖纖維布重量為120.3 g，所得復(fù)合材料總重為213.6 g，經(jīng)計(jì)算可得纖維占復(fù)合材料的56.3 wt%；而使用斜紋玄武巖纖維布重量為137.1 g，制備的復(fù)合材料重212.5 g，可計(jì)算出纖維占復(fù)合材料的64.53 wt%。

平紋編織方法交織點(diǎn)多、表面較為平整，但密度不太高，較為輕??；斜紋編織方法有明顯的斜向紋路，且紋路較深、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，排列上呈周期性變化。相對(duì)而言，斜紋織物更為致密、耐磨，因此，斜紋玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中的纖維重量比更大。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 三點(diǎn)彎曲分析

圖1為平紋和斜紋復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲過程中的載荷-位移曲線圖。彎曲時(shí)試樣發(fā)生了彎曲-剪切混合變形，界面剪應(yīng)力較強(qiáng)。

通過圖1曲線可以看出，試驗(yàn)前期載荷隨著位移量的增大呈線性增加。其中平紋復(fù)合材料在載荷增加到0.4 kN時(shí)，載荷隨位移的增加速率逐漸減緩，此時(shí)試樣發(fā)出吱吱聲，并且樹脂開始發(fā)生斷裂，而斜紋復(fù)合材料的載荷仍然呈線性增加。當(dāng)位移達(dá)到彎曲最大載荷后，復(fù)合材料出現(xiàn)非線性破壞形式，直至整個(gè)材料發(fā)生破壞。斷裂時(shí)斜紋復(fù)合材料發(fā)出巨大響聲，并且載荷量呈直線下降，界面突然大面積的分層，其載荷已經(jīng)達(dá)到1.25 kN。當(dāng)位移達(dá)到6 mm左右時(shí)，平紋復(fù)合材料也發(fā)出響聲，但響度明顯較弱，隨后載荷隨著位移的增加而緩慢下降，期間伴有斷斷續(xù)續(xù)的撕裂聲。

圖1不同編織方法制得復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲載荷-位移曲線圖

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中，平紋復(fù)合材料的載荷之所以沒有像斜紋復(fù)合材料那樣隨著位移量增加而直線下滑，原因是在彎曲初始階段材料整體承載，基體與纖維發(fā)生彈性形變，隨后才開始產(chǎn)生破壞。當(dāng)材料受到極限載荷時(shí)，纖維未發(fā)生全部斷裂，所以當(dāng)載荷持續(xù)時(shí)，剩下未斷裂的纖維將繼續(xù)承受載荷，再經(jīng)過一段時(shí)間后，樹脂基復(fù)合材料才最終發(fā)生斷裂。相比于平紋復(fù)合材料，斜紋復(fù)合材料的極限載荷更大，甚至是平紋復(fù)合材料極限載荷的兩倍多。

對(duì)三點(diǎn)彎曲載荷-位移曲線進(jìn)行計(jì)算，可得復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量，如表1所示。

表1 不同編織復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量

表中數(shù)據(jù)顯示，不同編織方法的玄武巖纖維布所制備的樹脂基復(fù)合材料在力學(xué)性能上有明顯的差異，斜紋織物增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料試樣所能承受的最大載荷為1.25 kN，而平紋織物樹脂基復(fù)合材料試樣所能承受的最大載荷只有0.56 kN，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，斜紋樹脂基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度是平紋織物樹脂基復(fù)合材料的2.2倍。

2.2.2 拉伸試驗(yàn)分析

將兩組復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所得力-位移曲線分布如圖2所示。

從圖2可以看出，在初始拉伸階段(位移小于0.4 mm時(shí))，載荷隨位移的增加快速上升，說明此時(shí)材料處于彈性變化階段。當(dāng)位移大于0.4 mm時(shí)，載荷的增加趨勢(shì)有所減緩，但仍呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)有拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，說明材料發(fā)生了不可恢復(fù)的破壞。結(jié)果表明，斜紋玄武巖纖維布增強(qiáng)的復(fù)合材料在破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移小于平紋復(fù)合材料破壞時(shí)的位移，但其對(duì)應(yīng)的載荷大于平紋復(fù)合材料。

對(duì)拉伸力-位移曲線進(jìn)行計(jì)算，可得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量，具體數(shù)值見表2所示。

圖2不同編織方法制得復(fù)合材料的拉伸力-位移曲線圖

表2 不同編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量

由表2中的數(shù)值可知，斜紋玄武巖纖維布所制備的樹脂基復(fù)合材料所承受的最大力、拉伸彈性模量以及拉伸強(qiáng)度均比平紋玄武巖纖維布增強(qiáng)的復(fù)合材料有所提升，尤其是拉伸彈性模量增加了1.5倍。

2.3 斷口形貌分析

圖3是對(duì)不同編織方法制得復(fù)合材料的拉伸斷口邊緣區(qū)域形貌進(jìn)行觀察的SEM照片。

圖3平紋(a)和斜紋(b)編織方法制備復(fù)合材料的拉伸斷口邊緣區(qū)域形貌(1) 30×；(2) 100×；(3) 300×

從圖3可以明顯看到，復(fù)合材料的斷口邊緣大都以纖維的斷裂和部分纖維的拔出為主。圖3(a1)為平紋復(fù)合材料斷口放大30倍時(shí)的形貌，通過圖片可以看出斷口參差不齊，在可觀察范圍內(nèi)只有少量的樹脂夾在纖維束之間，而纖維束伸出較長(zhǎng)，且已不再集中；將圖3(a1)放大得到圖3(a2)，可以發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維束非常松散且雜亂無章，纖維與樹脂的界面完全分離；進(jìn)一步放大如圖3(a3)所示，可以清晰地觀察到玄武巖纖維的表面比較光滑，斷裂后只有少部分的樹脂附著在上面。

而從圖3(b1)中可明顯看出，斜紋復(fù)合材料的斷口處較為平齊，纖維伸長(zhǎng)量大大減少且纖維束仍緊湊，同時(shí)纖維與樹脂的脫離現(xiàn)象較平紋復(fù)合材料明顯減少；圖3(b2)和(b3) 也顯示出即使在斷口邊緣區(qū)域，也有部分纖維與樹脂仍未脫離，并且被拔出的纖維中也仍然夾雜著較多的樹脂碎片。這些都說明了編織方法的改變可以有效的提高纖維與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高材料界面之間的粘結(jié)性[17]。當(dāng)復(fù)合材料受到拉伸時(shí)，樹脂與基體之間好的界面結(jié)合使得應(yīng)力能有效地從基體傳遞到纖維上，使力學(xué)性能較好的玄武巖纖維作為應(yīng)力的主要承載者，從而明顯地提升復(fù)合材料的力學(xué)性能[18-19]。

為了進(jìn)一步分析兩種編織方法下制備的復(fù)合材料的斷裂機(jī)制，對(duì)兩組復(fù)合材料拉伸斷口的內(nèi)部區(qū)域同樣在不同倍數(shù)下進(jìn)行了觀察，其微觀形貌圖如圖4所示。

圖4平紋(a)和斜紋(b)編織方法制備復(fù)合材料的拉伸斷口內(nèi)部區(qū)域形貌(1) 30×；(2) 100×；(3) 500×

圖4(a1)為平紋復(fù)合材料斷口內(nèi)部的宏觀形貌，可以看出，在距斷面的一定深度處，復(fù)合材料內(nèi)部便已出現(xiàn)明顯的裂紋，與樹脂脫離的纖維開始松散，盡管此時(shí)材料內(nèi)部仍存在樹脂和纖維結(jié)合較好的部分區(qū)域；觀察纖維與樹脂結(jié)合界面處的微觀區(qū)域(如圖4中a2和a3所示)發(fā)現(xiàn)，纖維與樹脂實(shí)際上已經(jīng)開始脫離，其結(jié)合程度在拉伸載荷下嚴(yán)重削弱，脫離出來的纖維上也幾乎沒有附著樹脂。這說明平紋織物制備的玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在受到載荷時(shí)，樹脂基體不能很好地將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到纖維上，沒有充分體現(xiàn)出玄武巖纖維作為增強(qiáng)體的作用。對(duì)比平紋復(fù)合材料的斷口形貌，斜紋復(fù)合材料斷面處的裂紋小且淺(如圖4中b1所示)，尚未發(fā)現(xiàn)大面積纖維脫離的現(xiàn)象；微觀分析斷口內(nèi)部區(qū)域纖維與樹脂的結(jié)合界面(見圖4中b2和a3)發(fā)現(xiàn)，即使靠近拉伸斷口，此處的纖維與樹脂之間仍結(jié)合緊密，這說明樹脂已經(jīng)很好地浸入到纖維布中，且兩者形成了較強(qiáng)的結(jié)合界面。當(dāng)受到拉伸載荷時(shí)，樹脂基體能夠有效地將應(yīng)力傳送給纖維增強(qiáng)體，最終達(dá)到提高復(fù)合材料強(qiáng)度的目的。

綜合以上分析，說明不同編織方法下玄武巖纖維與樹脂的結(jié)合情況有較大差別，這主要是由纖維編織的幾何結(jié)構(gòu)決定的。斜紋編織方法使得玄武巖纖維的致密性、纖維體積含量、纖維與樹脂的可接觸面積均比平紋織物要高，當(dāng)纖維與樹脂結(jié)合時(shí)，樹脂有更多的途徑滲入到斜紋織物的纖維束中，因此，斜紋織物中纖維與樹脂的結(jié)合程度要高于平紋織物，其制備的樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度也優(yōu)于平紋織物制備的樹脂基復(fù)合材料。

3 結(jié)論

(1)通過重量比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)斜紋玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中的纖維重量比更大，這是因?yàn)樾奔y織物的致密性要好于平紋織物。

(2)在彎曲和拉伸過程中，斜紋玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料所承受的最大載荷均明顯大于平紋玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，并且斜紋復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也高于平紋復(fù)合材料，表明斜紋復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能。

(3)斷口形貌顯示，斜紋玄武巖纖維布與樹脂基體間具有更好的界面結(jié)合。平紋纖維復(fù)合材料斷口區(qū)域的纖維拉出較長(zhǎng)，纖維之間的樹脂已經(jīng)剝離且消失；而斜紋纖維復(fù)合材料斷口區(qū)域的纖維拉出較短，且纖維之間仍有部分樹脂存在。