楊 帥，張加俏，李連基，何春輝，嚴(yán) 巖

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)(2.江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司，江蘇 張家港 215600)

氫能作為可再生清潔能源，對(duì)構(gòu)建低碳高效的現(xiàn)代能源體系，實(shí)現(xiàn)“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”的環(huán)境發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。為滿足重型卡車對(duì)運(yùn)載能力和續(xù)航里程的高要求，深冷高壓儲(chǔ)氫技術(shù)裝備成為整車廠商、氫能裝備供應(yīng)鏈關(guān)注的熱點(diǎn)，但深冷高壓極端的儲(chǔ)氫環(huán)境也對(duì)儲(chǔ)氫氣瓶的復(fù)合材料提出了新的要求。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在航空航天、汽車船舶、車載儲(chǔ)氫氣瓶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，但作為層合板結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料各層之間僅靠樹(shù)脂粘結(jié)，導(dǎo)致沿厚度方向的機(jī)械強(qiáng)度較弱，在承受載荷時(shí)易發(fā)生分層、錯(cuò)位等結(jié)構(gòu)失效，影響材料的使用壽命與安全性[4-5]。因此，改善碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料層間性能顯得尤為重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在樹(shù)脂基復(fù)合材料層間性能增韌方面開(kāi)展了大量研究，總結(jié)出3類增韌方法，分別是樹(shù)脂增韌、Z向增韌和層間增韌。在樹(shù)脂增韌的研究領(lǐng)域中,通過(guò)加入與基體成分結(jié)構(gòu)相似的改性物如橡膠彈性體、嵌段共聚物、超支化聚合物等對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控[6]，形成互穿/半互穿網(wǎng)絡(luò)對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行增韌[7]；或引入柔性鏈段改變樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)結(jié)構(gòu),以降低樹(shù)脂剛性、提高韌性[8]。這些方法可以提高樹(shù)脂基復(fù)合材料的層間斷裂韌性，但同時(shí)也會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生負(fù)面影響，降低樹(shù)脂基材料體系的耐熱性和模量，加入改性物后還會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂體系黏度變大，不利于材料制備操作[9-10]。Z向增韌是指在垂直于層間平面的Z方向上引入纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)以增加層間韌性，主要途徑包括三維編制技術(shù)[11]、縫合技術(shù)[12]和Z-pin技術(shù)[13]。這類技術(shù)雖然能夠增加層間韌性，但也會(huì)造成纖維體積含量減少和纖維屈曲損傷，引起樹(shù)脂堆積進(jìn)而產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致面內(nèi)力學(xué)性能有所降低[14-15]。隨著層間相定義的提出，基于復(fù)合材料層合板的層間增韌方法逐漸受到關(guān)注，層間增韌包括層間納米材料增韌、層間顆粒增韌和層間纖維增韌等[16-18]。研究證明，以上層間增韌方法均可有效提高層合板層間斷裂韌性，但對(duì)于層間納米材料增韌，層合板氣相沉積表面生長(zhǎng)納米增強(qiáng)相速度較慢，且工藝復(fù)雜，工程應(yīng)用速度非常慢；層間顆粒增韌技術(shù)中顆粒物在層間的均勻性難以保證，對(duì)層合板力學(xué)性能和厚度均有一定影響[19-20]。

相較于其他層間增韌方法，短纖維層間增韌方法因其增強(qiáng)效果明顯、成本低廉且操作方便而被廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)短纖維層間增韌碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料開(kāi)展了大量研究[21]。張鳳鵬、劉大成等[22-23]建立了板內(nèi)淺埋分層損傷復(fù)合材料層合板的三維有限元模型和短纖維橋聯(lián)作用模型，分析了層間短纖維對(duì)能量釋放率、應(yīng)力場(chǎng)的影響, 模擬結(jié)果表明,層間短纖維延緩了分層擴(kuò)展,增韌效果明顯。Yasaee等[24]分別將短玻璃纖維和短芳綸纖維加入到玻璃纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料層合板層間，加入短芳綸纖維的I 型層合板層間斷裂韌性值提高了46%，而加入短玻璃纖維的層間斷裂韌性值僅提高14%。莫正才[25]通過(guò)層間鋪入苧麻短纖維的方式對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行了層間增韌，結(jié)果表明,層間鋪入苧麻短纖維的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板Ⅰ型層間斷裂韌性和Ⅱ型層間斷裂韌性得到了顯著的提高。上述研究表明，短玻璃纖維和UHMWPE纖維在層間產(chǎn)生的橋聯(lián)作用能夠有效提升層間韌性和力學(xué)性能，滿足車載深冷高壓儲(chǔ)氫氣瓶對(duì)復(fù)合材料層的強(qiáng)度需求。

綜上所述，在層間加入短纖維可以有效增強(qiáng)復(fù)合材料層間斷裂韌性，不同短纖維種類與插層面密度都會(huì)對(duì)層合板力學(xué)性能產(chǎn)生影響。本文主要工作為將玻璃纖維與UHMWPE纖維以短纖維的形式，按照不同質(zhì)量比加入碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料，通過(guò)試驗(yàn)與分析,研究短纖維插層對(duì)碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料拉伸性能的影響，揭示相關(guān)作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

本文試驗(yàn)選用T300-12K單向碳纖維織物(日本東麗公司生產(chǎn))與環(huán)氧樹(shù)脂體系制備碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料層合板。環(huán)氧樹(shù)脂體系包括環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑(e51型，易拓復(fù)合材料公司)。試樣制備過(guò)程中需要使用脫模劑(easy-lease-200TM型，復(fù)材易購(gòu)(北京)科技有限公司)，用于試驗(yàn)的插層短纖維分別選用玻璃纖維(GF-22-200-120-T型，纖維直徑6 μm，復(fù)材易購(gòu)(北京)科技有限公司)和超高分子量聚乙烯纖維(1000D型，纖維直徑30 μm，東莞市粵順新材料有限公司)，按照?qǐng)D1所示流程制備復(fù)合材料層合板與試驗(yàn)試樣。

圖1 短纖維增強(qiáng)碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料制備流程

1.2 測(cè)試主要設(shè)備及儀器

本文試樣力學(xué)性能主要通過(guò)拉伸、壓縮與彎曲試驗(yàn)測(cè)定。

拉伸試驗(yàn)按 GB/T 3354—1999 采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)(8802型，美國(guó)Instron公司)進(jìn)行測(cè)定，壓縮試驗(yàn)按 GB/T 3856—2005 采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(204C型，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司)進(jìn)行測(cè)定。拉伸與壓縮試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)機(jī)的進(jìn)給速度均為1 mm/min。

1.3 試驗(yàn)步驟

1)將單向碳纖維織物剪裁成40 cm×36 cm的大小一致的方格，用于后續(xù)的層合板預(yù)制體鋪層。

2)預(yù)先對(duì)亞克力板進(jìn)行清潔并將脫模劑均勻涂覆在其上，等待脫模劑固化8～10 min再次涂覆2～3次，最后一次涂覆工作后需等待15～20 min。

3)將環(huán)氧樹(shù)脂與樹(shù)脂固化劑按照質(zhì)量比為3∶1(180 g∶60 g)進(jìn)行混合，按照表1所示的設(shè)計(jì)將自制的短纖維以不同的質(zhì)量比添加進(jìn)樹(shù)脂/固化劑混合物充分?jǐn)嚢杈鶆颍糜诤罄m(xù)的樹(shù)脂浸漬。

表1 試驗(yàn)件鋪層設(shè)計(jì)

4)采用手糊成型對(duì)上述5類預(yù)制體進(jìn)行樹(shù)脂浸漬，將第一層碳纖維織物平整鋪放在涂有脫模劑的亞克力平板上，將3)中混合物均勻有序地涂覆在碳纖維織物上，再覆蓋一層碳纖維織物，重復(fù)上述操作，直至完成六層碳纖維層合板。將預(yù)制體與亞克力板放入真空袋中并用真空袋膜密封膠條進(jìn)行密封。真空袋開(kāi)口連接抽真空管路，管路上需安裝導(dǎo)流開(kāi)關(guān)閥門，以控制抽氣速度與實(shí)現(xiàn)保壓。實(shí)驗(yàn)中預(yù)制件需要進(jìn)行保壓固化約20 h。

5)固化完成后，將上述短纖維層間增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料在數(shù)控雕刻機(jī)(6060型，東莞市燕豐數(shù)控設(shè)備有限公司)上切割成拉伸試樣(135 mm×5 mm×2 mm)，為保證得到正確的破壞方式,試樣需在兩側(cè)添加加強(qiáng)片。重復(fù)上述操作5次,得到相同工藝參數(shù)下不同材料添加的層合板。

6)按GB/T 1447—2005,對(duì)切割好的試驗(yàn)試樣在TMF試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。最后將斷面在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)(Nova NanoSEM 450型，美國(guó)FEI公司)下觀察，分析試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于碳纖維抗拉強(qiáng)度較大，而樹(shù)脂基體承載壓縮載荷能力較弱，碳纖維復(fù)合材料層板在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中常出現(xiàn)打滑、壓潰、夾斷、纖維抽出等問(wèn)題，因此試驗(yàn)采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試，如圖2(a)所示，實(shí)現(xiàn)壓縮力動(dòng)態(tài)加載。拉斷后試樣如圖2(b)所示，可以看出拉斷后的試件出現(xiàn)明顯的層間分離。完全拉斷試樣如圖2(c)所示，試件斷裂端并不整齊，纖維束呈現(xiàn)出被拉斷的狀態(tài)。

圖2 碳纖維復(fù)合材料層板拉伸試驗(yàn)

每種試件測(cè)試3組，隨機(jī)選取一組繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。本試驗(yàn)基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂，連續(xù)單向增強(qiáng)纖維為碳纖維，主要受力方向?yàn)槠叫杏诶w維軸線的復(fù)合材料層板縱向。在承受縱向拉伸應(yīng)力時(shí)，假設(shè)纖維與基體之間沒(méi)有相對(duì)滑移，且拉伸應(yīng)變相同，忽略生產(chǎn)缺陷，每根纖維具有相同的強(qiáng)度。由于樹(shù)脂延伸率大于碳纖維延伸率，因此在進(jìn)行復(fù)合材料層板拉伸的過(guò)程中，碳纖維先產(chǎn)生斷裂，然后隨著拉力增加，纖維產(chǎn)生的裂紋開(kāi)始沿著基體或者纖維界面?zhèn)鞑ァ?/p>

拉伸測(cè)試初始階段，由于儀器和試件間存在間隙，應(yīng)力-應(yīng)變曲線緩慢上升。當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到350 MPa時(shí)，曲線迅速上升，此時(shí)不同材料、不同含量短纖維層間填充層合板應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率開(kāi)始出現(xiàn)分化。隨著拉伸載荷的進(jìn)一步增加，應(yīng)變達(dá)到碳纖維斷裂應(yīng)變極限，層合板內(nèi)部纖維開(kāi)始產(chǎn)生斷裂，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)拉伸試件完全斷裂后，抗拉強(qiáng)度急劇下降并趨于0。最終5組試樣的抗拉強(qiáng)度與彈性模量測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同層間增強(qiáng)復(fù)合材料層板應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4顯示，層間填充短玻璃纖維使得復(fù)合材料層板抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量分別提高28.10%和28.30%(CF-G-2組)，層間填充短UHMWPE纖維使得復(fù)合材料層板抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量分別提高8.39%和15.05%(CF-U-1組)。圖5為復(fù)合材料層板拉斷后的掃描電鏡圖，可以看出，UHMWPE纖維直徑(29.81 μm)遠(yuǎn)大于碳纖維直徑(6.80 μm)，而玻璃纖維直徑(5.66 μm)則與碳纖維直徑相近。兩種短纖維以隨機(jī)取向狀態(tài)分布于單向碳纖維層之間，起到增韌作用。

圖4 拉伸測(cè)試結(jié)果

圖5 拉伸斷裂掃描電鏡圖

從圖4中可以看出，相對(duì)于純樹(shù)脂填充的碳纖維復(fù)合材料層板，CF-U-2組的抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量有輕微下降，這是因?yàn)镃F-U-2組使用的層間增強(qiáng)短UHMWPE纖維的直徑較大，且含量較多，從而降低了樹(shù)脂的流動(dòng)性，不利于相鄰碳纖維層的結(jié)合。對(duì)比短玻璃纖維和短UHMWPE纖維層間增強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料層板抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量可以發(fā)現(xiàn)，直徑較小的短玻璃纖維的增強(qiáng)效果更好。此外，短纖維含量也對(duì)復(fù)合材料層板拉伸性能有影響，并非越多越好。

3 結(jié)束語(yǔ)

層間填充短玻璃纖維和短UHMWPE纖維均可使得復(fù)合材料層合板抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量得到提高，選擇纖維直徑較小的短玻璃纖維可將拉伸性能提高約28%。試驗(yàn)也證明較大的纖維直徑會(huì)降低樹(shù)脂的流動(dòng)性，不利于相鄰碳纖維層的結(jié)合，較大的纖維直徑也影響了纖維間的橋聯(lián)作用，導(dǎo)致增強(qiáng)層合板的抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量略有降低，而纖維直徑較小的短玻璃纖維則能夠較為明顯地提高增強(qiáng)層合板的抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量。