阮芳濤 ，夏成龍 ，楊慶永 ，邢劍 ，徐珍珍

(1.安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院,安徽蕪湖 241000； 2.安徽省紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國(guó)際聯(lián)合研究中心,安徽蕪湖 241000)

在復(fù)合材料領(lǐng)域,碳纖維(CF)具有高模量、高強(qiáng)度、耐高溫等優(yōu)點(diǎn),已成為航天航空等國(guó)防尖端技術(shù)發(fā)展迫切需要的新材料。CF在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用一般通過(guò)復(fù)合工藝將CF與樹脂等基體制備成復(fù)合材料。隨著民用航空、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的輕量化需求日益增高,CF增強(qiáng)復(fù)合材料作為理想的輕量化材料在民用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1–2]。在CF復(fù)合材料產(chǎn)量增加的同時(shí),其廢棄物也隨之增加[3],其回收方法主要有熱解法和化學(xué)溶劑法,回收工藝較為成熟[4–5]。但回收碳纖維(rCF)再利用率較低,一方面是由于rCF由長(zhǎng)絲變成了非連續(xù)的短纖維,還需要通過(guò)非織造、紡紗等工藝將rCF制備成碳?xì)只蜻B續(xù)紗,工藝難度較大,僅有少數(shù)公司將rCF制成無(wú)紡碳?xì)趾铜h(huán)氧CF片狀模塑料,應(yīng)用于汽車引擎蓋內(nèi)板、側(cè)板、電池箱等[6]。

近年來(lái),采用天然植物纖維作為主要原料的“綠色復(fù)合材料”日益受到人們的重視。天然植物纖維如苧麻(RF)、亞麻、劍麻,具有力學(xué)性能較高、密度低、無(wú)毒、生物活性等優(yōu)點(diǎn)[7–8]。天然纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具備密度低、模量高、易成型和隔音隔熱的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)作為苧麻的主要產(chǎn)地,產(chǎn)量占世界的90%以上,原材料豐富。RF中間有空隙,是良好的熱絕緣體和吸聲材料,作為增強(qiáng)材料添加到樹脂中,能夠提高材料的剛度、熱穩(wěn)定性和阻尼性能,增大了材料的應(yīng)用范圍[9]。段成名等[10]研究了RF增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能,對(duì)RF進(jìn)行熱處理能夠提高拉伸彈性模量,并提高其與樹脂的結(jié)合強(qiáng)度。但是單一的RF其強(qiáng)度較低,混雜復(fù)合材料可以改善單一纖維復(fù)合材料的沖擊韌性、斷裂應(yīng)變以及疲勞強(qiáng)度等。由于混雜效應(yīng)的存在,通過(guò)調(diào)節(jié)混雜比、混雜形式,可以擴(kuò)大設(shè)計(jì)自由度,擴(kuò)大適用范圍,并達(dá)到降低成本或減重的目的[11]。莫正才等[12]將短RF添加到CF層之間用于增韌,在RF和CF層間的裂紋擴(kuò)展過(guò)程中存在橋聯(lián),能夠降低短RF從環(huán)氧樹脂基體中拔出與劈裂等現(xiàn)象,從而增加CF的層間剪切韌性。張蔭楠等[13]制備了混雜RF／玻璃纖維(GF)增強(qiáng)聚丙烯(PP)復(fù)合材料,研究了RF,GF體積含量對(duì)復(fù)合材料彎曲和剪切性能的影響,研究結(jié)果表明,GF的加入大幅提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能,PP的含量決定了復(fù)合材料中樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性。張紅霞等[14]采用非織造–模壓成型工藝,研究了rCF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的影響,當(dāng)rCF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最好。

RF雖來(lái)源豐富、優(yōu)點(diǎn)頗多,但是在力學(xué)性能上還是無(wú)法超越CF,在實(shí)際應(yīng)用中不能完全替代CF。采用混雜rCF的方法,既降低了成本,又使力學(xué)性能達(dá)到要求,是一種較好的材料設(shè)計(jì)方法。筆者設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)化的混雜復(fù)合材料成型工藝,首先采用熱塑性高密度聚乙烯(PE-HD)為基體,rCF和RF無(wú)紡布為增強(qiáng)纖維,利用模壓法分別制備成PE-HD／rCF和PE-HD／RF片狀模塑料。然后分別取4片PE-HD／rCF和PE-HD／RF片狀模塑料,制備5種不同疊層順序的混雜復(fù)合材料,研究了疊層順序?qū)E-HD／rCF／RF混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

RF無(wú)紡布：HX–002,山東奧博材料有限公司；

rCF：蕪湖艾達(dá)索高新材料有限公司；

PE-HD薄膜：3300F,厚度為0.05 mm,密度為0.92 g／cm3,山東齊旺達(dá)集團(tuán)石油化工公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熱壓機(jī)：YLJ–HP300型,合肥科晶材料技術(shù)有限公司；

真空干燥箱：ZF–6050型,上海恒一精密儀器有限公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WCW–20型,濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJJ–50S型,濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；

高清電子測(cè)量顯微鏡：GP–300C型,昆山高品精密儀器有限公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

(1)片狀模塑料的制備。

分別以rCF和RF無(wú)紡布為增強(qiáng)材料,以PE-HD膜為基體材料,采用熱壓法在140℃,4 MPa的條件下熱壓10 min,保壓、冷卻,制備成尺寸為 15 cm×15 cm×0.05 cm 的 PE-HD／rCF和PE-HD／RF片狀模塑料。

(2)不同疊層順序復(fù)合材料的制備。

復(fù)合材料制備的疊層順序和片數(shù)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合材料制備的疊層順序和片數(shù)

分別取4片PE-HD／rCF片狀模塑料和4片PE-HD／RF片狀模塑料,按照表1復(fù)合材料制備的疊層順序和片數(shù)進(jìn)行疊層,在140℃,4 MPa的條件下熱壓10 min,保壓、冷卻,制備5種不同疊層順序的PE-HD／rCF／RF混雜復(fù)合材料。按照相同步驟,分別取8片PE-HD／rCF和8片PE-HD／RF片狀模塑料,制備PE-HD／rCF和PE-HD／RF復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比。

1.4 性能測(cè)試

沖擊強(qiáng)度按照GB／T 1043–2008測(cè)試,支撐線之間的距離為40 mm,碰撞速度為3.8 m／s,試樣長(zhǎng)度為50 mm,寬度為10 mm。沖擊面均為rCF面(H2和H5樣品除外),每個(gè)試樣取5個(gè)有效數(shù)據(jù),結(jié)果取平均值。

拉伸強(qiáng)度按照GB／T 1040–2008測(cè)試,加載速率為2 mm／min,拉伸試樣長(zhǎng)度為150 mm,寬度為10 mm。每個(gè)試樣取5個(gè)有效數(shù)據(jù),結(jié)果取平均值。

斷面觀察：利用高清電子測(cè)量顯微鏡對(duì)7種復(fù)合材料的斷面進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 疊層順序?qū)?fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

不同疊層順序下復(fù)合材料樣品的沖擊強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 不同疊層順序下復(fù)合材料樣品的沖擊強(qiáng)度

從圖1可以看出,H1樣品的沖擊強(qiáng)度為72.15 kJ／m2,H2樣品的沖擊強(qiáng)度為 24.84 kJ／m2。雖然H3～H7樣品的種類和片數(shù)都相同,但是沖擊強(qiáng)度有較大的差異,H5樣品的沖擊強(qiáng)度最低,為20.34 kJ／m2,H3,H4,H6和H7樣品的沖擊強(qiáng)度明顯提高,其中H6樣品的沖擊強(qiáng)度最高,為40.23 kJ／m2,較H5樣品的沖擊強(qiáng)度提高97.79%,說(shuō)明疊層順序?qū)Σ牧系臎_擊強(qiáng)度有較大的影響。H5樣品的沖擊面為RF,其沖擊強(qiáng)度最低,而H3,H4,H6和H7樣品的沖擊面都為rCF,其沖擊強(qiáng)度都高于H5樣品。說(shuō)明在低速?zèng)_擊層間混雜復(fù)合材料時(shí),將rCF置于沖擊面可提高樣品的沖擊強(qiáng)度。這可能是因?yàn)閞CF可吸收更多的沖擊能量,這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果相類似。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料的損傷破壞形式都是纖維斷裂,rCF斷裂吸收的沖擊能量較高,這可能是沖擊面為rCF的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度較高的原因。

不同疊層順序下復(fù)合材料樣品沖擊斷面的高清電子測(cè)量顯微鏡照片如圖2所示。

圖2 不同疊層順序下復(fù)合材料樣品沖擊斷面的高清電子測(cè)量顯微鏡照片

從圖2可以看出,H1樣品的rCF層間容易分層,層間粘合性能較差,而H2樣品的RF層間粘合性能較好。H3樣品中的rCF分層也比較明顯,這是導(dǎo)致H3樣品沖擊強(qiáng)度在5種疊層結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料中相對(duì)不高的原因。H4樣品的rCF層和RF層形成夾心結(jié)構(gòu),在第一層的rCF吸收部分能量斷裂后,將部分沖擊能傳遞給芯部的RF,由于第二層的rCF限制了RF產(chǎn)生大的應(yīng)變,因此第二層的rCF吸收能量后斷裂,這可能是H4樣品沖擊強(qiáng)度相對(duì)較高的原因。H6和H7樣品都是rCF和RF隔層排放的混雜結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)不易導(dǎo)致芯部突然坍塌[16],芯部的rCF提供了剛度和承載能力,而RF提供了更好的損傷容限,因此H6和H7樣品的沖擊強(qiáng)度相對(duì)較高。

2.2 疊層順序?qū)?fù)合材料拉伸性能的影響

不同疊層順序下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同疊層順序下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

從圖3可看出,H1樣品的拉伸強(qiáng)度最高,為78.45 MPa,H2樣品的拉伸強(qiáng)度最低,為12.22 MPa,H3～H7樣品的拉伸強(qiáng)度界于兩者之間,H3樣品的拉伸強(qiáng)度為31.34 MPa,略高于H4樣品的29.11 MPa,與H7樣品的31.35 MPa相當(dāng),但是低于H5樣品的46.01 MPa和H6樣品的57.83 MPa,H6樣品是混雜結(jié)構(gòu)中拉伸強(qiáng)最高的疊層結(jié)構(gòu),其拉伸強(qiáng)度達(dá)到H1樣品拉伸強(qiáng)度的73.7%。

不同疊層順序下復(fù)合材料樣品拉伸斷面的高清電子測(cè)量顯微鏡照片如圖4所示。

圖4 不同疊層順序下復(fù)合材料樣品拉伸斷面的高清電子測(cè)量顯微鏡照片

從圖4可看出,樣品的破壞最初都發(fā)生在rCF部分,當(dāng)rCF失效后,隨著形變的進(jìn)步一增大,RF開(kāi)始承擔(dān)載荷,出現(xiàn)了RF和rCF之間的分層,并最終導(dǎo)致樣品拉伸破壞。

這是由于rCF的斷裂伸長(zhǎng)率比PE-HD基體、RF的低,在緩慢施加拉伸載荷過(guò)程中,rCF首先發(fā)生斷裂,此種破壞稱之為首次破壞,當(dāng)首次破壞發(fā)生后,混雜復(fù)合材料仍能有效地承載,隨著載荷的繼續(xù)增加 ,斷口附近的RF層因受到應(yīng)力集中的作用也開(kāi)始發(fā)生逐步破壞,直至樣品被拉斷形成最終破壞[17],因此,在拉伸測(cè)試中,也會(huì)出現(xiàn)不同疊層間分層的現(xiàn)象。對(duì)于rCF夾心層的H5和H6樣品,當(dāng)芯層的rCF開(kāi)始斷裂后,被斷裂伸長(zhǎng)率較高的RF所包裹,兩側(cè)的RF能起到延緩rCF斷裂的作用,rCF仍能對(duì)混雜復(fù)合材料的強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)。同時(shí)當(dāng)樣品中rCF出現(xiàn)較大裂紋并且橫向傳遞時(shí),會(huì)被兩側(cè)的RF層所阻擋,獲得正混雜效應(yīng),因此其拉伸強(qiáng)度較高。H7樣品容易發(fā)生層間剝離,在rCF還沒(méi)有完全發(fā)揮效用時(shí)就已經(jīng)發(fā)生破壞,不能發(fā)揮出正混雜效應(yīng),因此其拉伸強(qiáng)度反而降低。

3 結(jié)論

(1)疊層混雜結(jié)構(gòu)的沖擊面纖維材料性質(zhì)對(duì)復(fù)合材料整體沖擊性能有較大的影響,沖擊面為rCF的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度高于沖擊面為RF的復(fù)合材料。在復(fù)合材料芯部,由rCF和RF疊層混雜可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

(2)在拉伸試驗(yàn)中,樣品的破壞首先發(fā)生在rCF部分,當(dāng)rCF失效后,隨著形變的進(jìn)一步增大,RF開(kāi)始承擔(dān)載荷,出現(xiàn)RF和rCF之間的分層,并最終導(dǎo)致樣品破壞。在rCF夾心層樣品中,當(dāng)樣品中rCF出現(xiàn)較大裂紋并且橫向傳遞時(shí),被兩側(cè)的RF層所阻擋,獲得正混雜效應(yīng),但需要注意rCF層和RF層的層間剝離,以充分發(fā)揮rCF的拉伸強(qiáng)度。