吳孟錦 劉君妹,2 羅 娟 王守濤 賈立霞,2

（1.河北科技大學(xué)，河北石家莊， 050018；2.河北省紡織服裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊， 050018）

UHMWPE 纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)異的抗沖擊性能在航天航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可用作飛機(jī)翼尖和飛船結(jié)構(gòu)材料及其他領(lǐng)域的耐壓緩沖裝置［1?2］。高性能纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能主要會(huì)受到束縛系統(tǒng)、增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)、鋪層方式、材料厚度和纖維體積含量等因素的影響。目前機(jī)織增強(qiáng)體常選用平紋結(jié)構(gòu)，但斜紋或緞紋結(jié)構(gòu)具有更好的柔韌性和成型能力［3］。而目前關(guān)于二維機(jī)織組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料性能影響的研究較少，曾有學(xué)者探究等離子體處理、織物結(jié)構(gòu)和二氧化硅粒徑對(duì)等離子體處理剪切增稠液（STF）/芳綸織物抗穿刺和抗切割性能的交互影響，發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的抗切割性能具有顯著影響［4］。對(duì)于非平紋結(jié)構(gòu)織物來講，在多層堆疊中改變層間的編織類型可以減輕給定彈道防護(hù)水平所需的軟裝甲質(zhì)量［5］。目前已得到應(yīng)用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多數(shù)以層合板形式存在，容易產(chǎn)生層間裂紋，而一旦發(fā)生分層破壞其力學(xué)性能就會(huì)大幅度下降。復(fù)合材料的層間失效機(jī)制主要是界面裂紋擴(kuò)散，殘余載荷越小，斷裂韌性越低［6］。其中性能測(cè)試以Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性為主，用來表征材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的特性，也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)［7］。本研究采用等離子體改性技術(shù)增強(qiáng)UHMWPE 纖維與乙烯基酯樹脂的界面黏結(jié)性能以提高復(fù)合材料層間性能，以平紋、二上二下斜紋和五枚三飛緯面緞紋組織UHMWPE 機(jī)織物為增強(qiáng)體，制備UHM?WPE/乙烯基酯樹脂復(fù)合板材。探索織物組織和等離子體處理對(duì)UHMWPE/乙烯基酯樹脂復(fù)合板材抗沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)器材

試驗(yàn)采用UHMWPE 纖維加捻長絲（東莞市索維特特殊線帶有限公司）。UHMWPE 單紗性能指標(biāo)：線密度44.44 tex，捻度160 捻/10 cm，斷裂強(qiáng)力119.8 N，斷裂伸長率5.3%，斷裂強(qiáng)度269.6 cN/tex。其他材料還有環(huán)氧乙烯基酯樹脂（濟(jì)寧華凱樹脂有限公司），丙酮溶液，去離子水，脫模劑，脫模布，真空袋膜，密封膠帶，導(dǎo)流網(wǎng)，引流管，玻璃鋼化板。

自制平紋、二上二下斜紋和五枚三飛緯面緞紋3 種組織的UHMWPE 織物?？椢锝?jīng)密均為240 根/10 cm，緯密均為140 根/10 cm，織縮率相差較小，單位面積質(zhì)量為（180±5）g/cm2。

等離子體氣體源選用氧氣，氣體流速設(shè)定為8 mL/min，處理時(shí)間為150 s，處理功率為200 W。通過等離子體處理能增加纖維與樹脂的浸潤性，使樹脂對(duì)織物的滲透更容易，真空灌注過程更為通暢。

采用真空輔助樹脂灌注成型技術(shù)（VARI），以等離子體處理前后的UHMWPE 織物為增強(qiáng)體，制備UHMWPE/乙烯基酯樹脂復(fù)合板材。將同種組織UHMWPE 織物按［0°/90°］8排列方式交替轉(zhuǎn)角度疊層放置，一共放置8 層作為增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)。并在第4 層和第5 層織物間的左上方部位插入1 張厚13 μm 的聚四氟乙烯薄膜形成分層的初始裂紋，為后續(xù)層間斷裂韌性試驗(yàn)做準(zhǔn)備。為增加凝膠時(shí)間，將固化劑與乙烯基酯樹脂質(zhì)量比降為1∶100，均勻混合。灌注前樹脂需在真空干燥機(jī)30 ℃下排泡30 min，以免復(fù)合板材產(chǎn)生過多氣泡缺陷。樹脂黏度為0.07 Pa·s，各試樣灌注樹脂均為同種環(huán)氧乙烯基酯樹脂。所制備復(fù)合板材的纖維體積分?jǐn)?shù)為（57±3）%，板材厚度為（3±0.15）mm。

2 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)ASTM D5528—2013《單向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的I 型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》，Ⅰ型測(cè)試模式采用雙懸臂梁試驗(yàn)法（DCB）在萬能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)上采集界面間斷臨界荷載及加載點(diǎn)信息。圖1 所示為Ⅰ型層間斷裂韌性測(cè)試示意圖。將一對(duì)鉸鏈的一端通過強(qiáng)黏合膠黏附在復(fù)合材料預(yù)制切口兩端的外表面，夾持在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分層試驗(yàn)，在控制拉伸位移模式下進(jìn)行，試樣的位移速率為15 mm/min。采用攝像系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裂紋起裂與擴(kuò)展情況，并記錄裂紋長度，每組試驗(yàn)測(cè)試3 個(gè)樣本。采用掃描電子顯微鏡觀察UHMWPE 復(fù)合板材層間韌性測(cè)試的斷口損傷形貌。利用載荷、位移和裂紋長度來計(jì)算I 型層間斷裂韌性，按照公式（1）計(jì)算界面I 型層間斷裂韌性。

圖1 Ⅰ型層間斷裂韌性測(cè)試

式中：GIC為I 型層間斷裂韌性（N/m）；PIC為I型臨界載荷（N）；δC為臨界載荷對(duì)應(yīng)的加載位移（×10-4m）；a為預(yù)制裂紋長度（mm）；b為試樣寬度（mm）。

根據(jù)ASTM D7905—2019《單向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的II 型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》，采用端部彎曲試驗(yàn)（ENF）測(cè)試復(fù)合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性，圖2 所示為Ⅱ型層間斷裂韌性測(cè)試示意圖。測(cè)試過程的位移加載速度為5 mm/min；預(yù)制裂紋長度為40 mm，試樣跨距選用60 mm。按照公式（2）計(jì)算界面Ⅱ型層間斷裂韌性。

圖2 Ⅱ型層間斷裂韌性測(cè)試

式中：GⅡC為Ⅱ型層間斷裂韌性（N/m）；P為裂紋擴(kuò)展臨界載荷（N）；δ對(duì)應(yīng)P的試樣受載荷撓度（mm）；b為試樣寬度（mm）；a為預(yù)制裂紋長度（mm）；L是半跨距（mm）。

3 結(jié)果與討論

3.1 Ⅰ型層間斷裂韌性

圖3為不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合板材Ⅰ型層間斷裂韌性測(cè)試的載荷?位移曲線。

圖3 復(fù)合板材的Ⅰ型層間斷裂韌性載荷?位移曲線

由圖3 可見，等離子體處理前后不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的載荷?位移曲線整體上均呈現(xiàn)漸進(jìn)波浪式擴(kuò)展情況；但處理前的裂紋擴(kuò)展波動(dòng)情況明顯弱于處理后，主要原因是復(fù)合板材界面黏結(jié)強(qiáng)度較差，抗撕裂能力較弱。處理前平紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材由于組織交織點(diǎn)多，表現(xiàn)出高于斜紋、緞紋的抗撕裂強(qiáng)力，同時(shí)由于纖維束交織區(qū)域?qū)λ毫堰^程具有抑制作用，交織曲線波動(dòng)略強(qiáng)于斜紋、緞紋。處理后的曲線波動(dòng)情況變化強(qiáng)烈，說明界面黏結(jié)程度加強(qiáng)；并且在初期階段的擴(kuò)展臨界載荷明顯上升，對(duì)應(yīng)的復(fù)合板材的剛度和韌性增強(qiáng)。由曲線波動(dòng)情況可以看出，斜紋和緞紋的波動(dòng)變化情況和臨界載荷大小均明顯高于平紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材。這說明等離子體處理對(duì)于具有較長浮長線的斜紋和緞紋織物作用明顯，提高了織物與樹脂的界面黏結(jié)性能。

圖4為等離子體處理前后不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的Ⅰ型層間斷裂韌性?裂紋長度曲線。

圖4 復(fù)合板材的Ⅰ型層間斷裂韌性?裂紋長度曲線

由圖4 可見，氧等離子體處理后織物增強(qiáng)復(fù)合板材的斷裂韌性有明顯提高，說明處理后織物與樹脂界面黏結(jié)性能確實(shí)有很大提高。纖維的表面結(jié)構(gòu)特征是影響復(fù)合板材層間性能好壞的重要因素，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度主要由界面性能決定。

圖5為平紋組織結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的層間斷裂掃描電鏡圖［8］。由圖5 可見，未處理織物復(fù)合板材撕裂表面出現(xiàn)樹脂塊狀劈裂，纖維表面黏結(jié)樹脂較少，纖維的橋聯(lián)作用不明顯，復(fù)合板材界面性能較差。而氧等離子體處理織物復(fù)合板材出現(xiàn)纖維原纖化現(xiàn)象，纖維與樹脂基體黏合緊密，說明纖維與樹脂界面性能較強(qiáng)。氧等離子體通過刻蝕增大了纖維的比表面積，能夠改善纖維與樹脂之間的界面結(jié)合和機(jī)械摩擦性能；產(chǎn)生的極性位點(diǎn)加強(qiáng)了與樹脂基體的黏結(jié)強(qiáng)度，促進(jìn)纖維原纖化產(chǎn)生的同時(shí)提供了更多的黏結(jié)點(diǎn)，從而有效提高了復(fù)合板材的層間斷裂韌性。

圖5 UHMWPE/乙烯基酯樹脂復(fù)合板材Ⅰ型層間斷裂掃描電鏡

由圖4 還可見，經(jīng)等離子體處理后，斜紋織物復(fù)合板材和緞紋織物復(fù)合板材斷裂韌性的增加明顯高于平紋織物復(fù)合板材，說明等離子體處理改性程度會(huì)受到織物組織結(jié)構(gòu)的影響。等離子體處理主要對(duì)纖維表面結(jié)構(gòu)起到刻蝕和活化作用，但等離子體中自由基和能量粒子可以滲透到纖維束間進(jìn)行改性，平紋組織交織點(diǎn)較多，浮長小，纖維間的限制作用較強(qiáng)，原試樣層間性能最好，但等離子體處理會(huì)影響活性粒子的滲透作用，不利于提高復(fù)合板材的層間斷裂韌性，導(dǎo)致處理后織物復(fù)合板材斷裂韌性提高不如另外兩種組織明顯。斜紋組織織物交織點(diǎn)較少，浮長增加，經(jīng)緯交織區(qū)的界面交替阻擋作用和浮長線區(qū)的纖維橋聯(lián)作用協(xié)同，使得處理后的斜紋織物復(fù)合板材層間斷裂韌性最強(qiáng)。緞紋組織點(diǎn)分散，由于浮線過長，纖維束間約束少，交織點(diǎn)界面交替抵抗作用小，使得復(fù)合板材的層間斷裂韌性較差，但等離子體改性程度高，纖維橋聯(lián)作用使得復(fù)合板材斷裂韌性有較大程度的增加。綜上可得，等離子體處理對(duì)織物增強(qiáng)體的改性程度受組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，其中對(duì)織物結(jié)構(gòu)的浮線區(qū)域的改性程度最深，因而復(fù)合板材層間斷裂韌性與界面黏結(jié)性能受織物結(jié)構(gòu)中纖維束交織約束和浮長線結(jié)構(gòu)的綜合影響。

3.2 Ⅱ型層間斷裂韌性

圖6為處理前后織物復(fù)合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性測(cè)試的載荷?位移曲線圖。

圖6 復(fù)合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性載荷?位移曲線

由圖6 可見，UHMWPE/乙烯基酯樹脂復(fù)合板材載荷曲線變化情況與碳纖維復(fù)合材料脆性斷裂迅速擴(kuò)展失效的典型線性響應(yīng)不同［9］，UHM?WPE 復(fù)合板材經(jīng)歷最高載荷后出現(xiàn)緩慢下降過程，主要為非線性關(guān)系，表明UHMWPE/乙烯基酯樹脂復(fù)合板材韌性強(qiáng)，更適用于防護(hù)領(lǐng)域。

由圖6 還可見，經(jīng)等離子體處理，3 種織物結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的Ⅱ型層間斷裂臨界載荷均有提高，臨界載荷較大的復(fù)合材料損傷阻抗越大。根本原因與Ⅰ型層間斷裂韌性分析相同。處理前平紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的裂紋擴(kuò)展較快，板材的剛度大，韌性強(qiáng)。等離子體處理織物復(fù)合板材在加載初期，緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的裂紋變化迅速，呈現(xiàn)出較大的剛度，主要原因是緞紋浮線區(qū)纖維受等離子體改性程度大，纖維與樹脂界面黏結(jié)作用強(qiáng)，臨界載荷最高，但裂紋擴(kuò)展所釋放出來的變形能大于裂紋擴(kuò)展所需要的能量時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展；緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材曲線出現(xiàn)快速下降情況，后期的抵抗分層能力與平紋和斜紋結(jié)構(gòu)差距不大，表明依然受到增強(qiáng)體組織結(jié)構(gòu)易松散和滑移特點(diǎn)影響。

由于Ⅱ型層間斷裂（剪切模式）測(cè)試試樣的裂紋擴(kuò)展是非穩(wěn)態(tài)的，與Ⅰ型層間斷裂（剝離模式）不同，其無法獲得材料的斷裂韌性阻力曲線，僅能獲得臨界能量釋放率。圖7 為等離子體處理前后不同組織結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性和峰值載荷對(duì)比柱狀圖。

圖7 Ⅱ型層間斷裂韌性和峰值載荷對(duì)比柱狀圖

由圖7 可見，由氧等離子體處理織物所加工復(fù)合板材的Ⅱ型層間韌性均有較大提升。處理前后織物復(fù)合材料的Ⅱ型層間斷裂韌性值由大至小依次為平紋、斜紋、緞紋，與未改性Ⅰ型層間斷裂韌性的變化情況一致。斷裂韌性可以確定結(jié)構(gòu)的能量吸收和損傷耐受能力，材料的破壞模式和斷裂韌性值會(huì)受到裂紋長度和能量耗散機(jī)制的影響。Ⅱ型層間（剪切）失效模式主要是基體斷裂、纖維抽拔、界面失效等模式；與Ⅰ型層間斷裂（剝離）破壞機(jī)制不同，纖維橋聯(lián)作用對(duì)Ⅱ型層間斷裂韌性測(cè)試影響較?。皇芙豢楛c(diǎn)數(shù)量、裂紋擴(kuò)展路徑及機(jī)械互鎖程度影響較深。圖7 中的緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的峰值載荷較高，但受其裂紋擴(kuò)展長度的影響，其復(fù)合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性值仍低于平紋和斜紋結(jié)構(gòu)。但從總體情況來看，等離子體處理對(duì)其層間斷裂韌性改性程度最大，緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的層間斷裂韌性值增長程度最高為190%。處理前后Ⅱ型層間失效情況沒有太大變化，韌性值大小主要受復(fù)合板材剛度和界面黏結(jié)強(qiáng)度影響。其中由于斜紋和緞紋組織結(jié)構(gòu)較松散，等離子體處理對(duì)纖維表面改性作用強(qiáng)，復(fù)合板材界面黏結(jié)強(qiáng)度更大，縮小了與平紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的差距。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于平紋、斜紋（二上二下）和緞紋（五枚三飛緯面緞）機(jī)織結(jié)構(gòu)制備的UHMWPE 織物增強(qiáng)體，平紋組織由于交織點(diǎn)較多，結(jié)構(gòu)較為緊密，纖維束間的約束作用強(qiáng)，平紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材韌性和剛度較大；斜紋與緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的結(jié)構(gòu)松散，浮線與樹脂黏結(jié)強(qiáng)度弱，導(dǎo)致層間斷裂韌性強(qiáng)度較差。

（2）Ⅰ型層間斷裂（剝離）受纖維橋聯(lián)作用較大，而Ⅱ型層間斷裂（剪切）則受裂紋擴(kuò)展路徑和機(jī)械互鎖程度影響較高。經(jīng)氧等離子體處理后，纖維抽拔和纖維橋聯(lián)現(xiàn)象更明顯，有效阻礙了界面裂紋擴(kuò)展和消耗了分層時(shí)的斷裂能，因而等離子體處理對(duì)斜紋和緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合板材層間增韌效果更強(qiáng)，縮小了與平紋結(jié)構(gòu)的差距。