周海麗,黃 建,孫方方,李 超,張立泉
(南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司,南京 210012)
加捻是纖維沿著軸向回繞,使纖維產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,外層纖維在承受張力作用的同時也對內(nèi)層纖維產(chǎn)生向心壓力,促使纖維相互抱緊擠壓,增加了纖維間的滑動阻力和緊密度[1~2]。加捻在一定程度上提高纖維絲的斷裂強力[3~4],且加捻紗束在拉伸的過程中,捻回角和直徑均逐漸減小,因此紗束的斷裂伸長率也會有所提高,有助于復(fù)合材料抗沖擊性能的提升。但當(dāng)對紗線進行加捻時,纖維扭曲使得單絲內(nèi)的分子鏈?zhǔn)艿郊羟凶饔?,易使纖維發(fā)生軸向剪切失效,造成纖維損傷,因此加捻也有使碳纖維強度降低的可能。王建[5]等通過對滌綸長絲進行加捻發(fā)現(xiàn)滌綸長絲斷裂強力隨捻度的增加先增后減;朱進忠[6]等分析玻璃纖維(GF)加捻后發(fā)現(xiàn)GF斷裂強力隨捻度的增加先升后降,并存在臨界捻度,且在臨界捻度上能最大程度提高GF斷裂強力;煙志恒[4]等探索了加捻對紗線力學(xué)性能的影響規(guī)律,也發(fā)現(xiàn)紗線捻度對紗線拉伸強度存在臨界值;關(guān)洪濤等[7]研究加捻對T800碳纖維拉伸性能的影響時發(fā)現(xiàn):加捻后再浸膠的加捻方式不可避免地導(dǎo)致碳纖維拉伸性能的降低,且捻度越高,性能下降越多,但是采用浸膠后加捻的方式有助于改善T800碳纖維的拉伸性能,合適的捻度可使其拉伸強度提高5%,斷裂延伸率提高10%,通過對T800碳纖維干紗加捻的研究基本確定了T800碳纖維的臨界捻度為15 T/m。周濤[8-11]等研究表明碳纖維加捻可有效改善復(fù)合材料的性能。閆小兵等[12]進行碳纖維長絲束加捻研究,研究結(jié)果表明:當(dāng)單紗捻度在15~30 T/m存在某一最合適的捻度值,使得股線斷裂強力最大,且反向合股加捻可以提高碳纖維的斷裂伸長率,單紗及股線捻度與股線的斷裂伸長率呈正比。綜上所述,加捻對高性能碳纖維既有正面效應(yīng),也有負面效應(yīng),本文針對國產(chǎn)CCF800H型碳纖維,研究加捻工藝對紗線及對三維機織復(fù)合材料性能影響研究,從而優(yōu)選適于提高復(fù)合材料性能的碳纖維加捻工藝。
碳纖維:CCF800H-12K,威海拓展;
浸膠紗:RIM036/RIMH039環(huán)氧樹脂制備的試驗件,hexion公司。
萬能試驗機:Instron 5820,INSTRON公司。
本次實驗碳纖維加捻方式為股線捻,捻向采用Z-S,其中股線捻度設(shè)定為單紗捻度的1.414倍,加捻紗束單紗捻度值分別確定為10 T/m、15 T/m、30 T/m。采用浸膠紗拉伸試驗分別測試加捻紗和非加捻紗的拉伸性能,試驗方法按照ASTM D4018-17連續(xù)絲碳纖維和石墨纖維性能的標(biāo)準(zhǔn)測試方法執(zhí)行。通過拉伸試驗獲得不同捻度的碳纖維紗束拉伸模量、強度及斷裂伸長率等力學(xué)性能,以此優(yōu)選碳纖維紗線的加捻工藝。
1.4.1 三維機織復(fù)合材料制備
根據(jù)浸膠紗拉伸試驗結(jié)果優(yōu)選一種捻度碳纖維進行三維機織預(yù)制體制備,組織結(jié)構(gòu)為三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu),如圖1所示。根據(jù)織造需求僅經(jīng)紗采用加捻碳纖維,緯紗仍為無捻碳纖維,同時為了對比加捻纖維復(fù)合材料和無捻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能差異,采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)制備經(jīng)緯紗均為無捻碳纖維的三維機織預(yù)制體,所采用的預(yù)制體工藝參數(shù)如表1所示。采用RTM復(fù)合成型技術(shù)進行三維機織復(fù)合材料板塊制備,樹脂采用環(huán)氧樹脂CYCOM PR 520,根據(jù)試驗件尺寸進行復(fù)合材料切割,完成試驗件制備。
圖1 三維機織結(jié)構(gòu)示意圖
表1 編織工藝參數(shù)表
1.4.2 三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能測試
針對加捻紗束制備的三維機織復(fù)合材料開展經(jīng)向拉伸、緯向拉伸和面內(nèi)剪切試驗研究,得到加捻紗束三維機織復(fù)合材料的經(jīng)緯向拉伸模量、拉伸強度以及面內(nèi)剪切模量和強度,并根據(jù)面內(nèi)剪切G12和G21測試結(jié)果分析碳纖維加捻工藝是否對三維機織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能的對稱性產(chǎn)生影響,本節(jié)所涉及的試驗類型及標(biāo)準(zhǔn)如表2所示,本研究由于加捻紗線用于經(jīng)紗,因此在試驗件策劃時以經(jīng)向性能為主,試驗件數(shù)量偏多。
表2 加捻紗束三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能試驗矩陣
測試碳纖維拉伸性能前要對紗線進行浸膠紗制樣,浸膠紗試樣見圖2。制成浸膠紗后上機進行測試,每組測試7個試樣,選取6組有效數(shù)據(jù),測試得到的浸膠紗拉伸性能結(jié)果如表3所示。
圖2 浸膠股線試樣
表3 加捻紗束碳纖維浸膠紗拉伸試驗結(jié)果
由測試結(jié)果可知,合股加捻后碳纖維的拉伸性能均低于無捻紗線,加捻碳纖維隨著捻度呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。其中單紗捻度15 T/m時,股線拉伸各項指標(biāo)均為最大值,強度為4 870 MPa,模量為278 GPa,伸長率為1.62%。且由表4可知,單紗捻度15 T/m時,股線拉伸強度、模量、斷裂伸長率的CV值均相對較低,可以說明該條件下的加捻股線一致性較高。將單紗捻度15 T/m性能與無捻復(fù)絲拉伸性能對比,得到如下數(shù)據(jù),見表4。
表4 加捻股線與無捻復(fù)絲拉伸性能對比
由表4可知,單紗捻度15 T/m時,拉伸模量損失率1.4%,拉伸強度損失率8.3%,斷裂伸長損失率6.4%。
根據(jù)浸膠紗拉伸試驗結(jié)果確定采用15 T/m的捻度來制作加捻紗束三維機織復(fù)合材料,且僅經(jīng)向采用加捻紗束,緯向紗束不加捻。
2.2.1 拉伸試驗
加捻紗束三維機織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測試所采用的試驗設(shè)置及破壞后的拉伸試驗件如圖3所示。
圖3 拉伸試驗設(shè)置及破壞后的拉伸試驗件
加捻紗束三維機織復(fù)合材料經(jīng)向和緯向的拉伸模量和斷裂強度分別如表5所示,經(jīng)紗采用單紗捻度15 T/m的加捻工藝后,三維機織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸模量為58.22 GPa,斷裂強度為555.58 MPa,相應(yīng)的緯向數(shù)據(jù)分別為86.77 GPa和953.25 MPa。特別說明由于試驗件Twist-JT-01數(shù)據(jù)存儲設(shè)置問題,沒能獲得有效應(yīng)以應(yīng)變曲線,因此無法獲得拉伸模量值,但斷裂強度可以根據(jù)斷裂載荷計算獲得。
表5 加捻紗束三維機織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測試結(jié)果統(tǒng)計
2.2.2 面內(nèi)剪切試驗
圖4為加捻紗束三維機織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能測試所采用的試驗件和設(shè)置。面內(nèi)剪切力學(xué)性能測試結(jié)果統(tǒng)計見表6,由表中可以看出,面內(nèi)剪切試驗件的剪切模量和剪切強度均表現(xiàn)出了較小的非對稱線性,在考慮試驗離散性的情況下,可以認為加捻紗束沒有對三維機織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能的對稱性產(chǎn)生影響。
圖4 面內(nèi)剪切試驗設(shè)置及試驗件
表6 加捻紗束三維機織復(fù)合材料面內(nèi)剪切力學(xué)性能測試結(jié)果統(tǒng)計
采用相同的試驗方案進行相同編織結(jié)構(gòu)和相同編織工藝參數(shù)的無捻紗束三維機織復(fù)合材料經(jīng)緯向拉伸試驗和面內(nèi)剪切試驗,其中與加捻紗束三維機織復(fù)合材料經(jīng)緯向拉伸試驗的測試結(jié)果對比如表7所示。經(jīng)過對比分析可以看出經(jīng)紗采用加捻紗線之后,經(jīng)向的拉伸模量和斷裂強度均較無捻紗束復(fù)合材料的相同力學(xué)性能有所降低,其中經(jīng)向拉伸模量降低較少,僅減小了6.62%,但是經(jīng)向斷裂強度降幅較大,達到了21.98%;而相應(yīng)的緯向力學(xué)性能卻均有所提高,其中緯向拉伸模量增加了2.95%,而緯向斷裂強度增加了約14.26%。
表7 加捻紗束和無捻紗束三維機織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能對比
加捻紗束和無捻紗束三維機織復(fù)合材料面內(nèi)剪切力學(xué)性能對比如表8所示,表中數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)紗加捻前,面內(nèi)剪切具有非常好的對稱性,剪切模量僅有0.01 GPa的差異,剪切強度的差異也僅有0.93 MPa;經(jīng)紗加捻后,面內(nèi)剪切性能的對稱性較無捻紗束有一定降低,剪切模量的差異達到了0.34 GPa,剪切強度的差異較小。另外,不論從剪切模量、剪切強度或者是試驗測試的離散系數(shù)等數(shù)據(jù)分析,經(jīng)向加捻紗束對三維機織復(fù)合材料的面內(nèi)剪切性能產(chǎn)生的影響較小,剪切模量幾乎沒有變化,剪切強度僅增加了約2.74%。
表8 加捻紗束和無捻紗束三維機織復(fù)合材料面內(nèi)剪切力學(xué)性能對比
本文針對加捻工藝對三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,開展了加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能試驗研究,優(yōu)化加捻工藝以減少加捻對于紗束力學(xué)性能的影響。采用優(yōu)化后的加捻工藝制備三維機織復(fù)合材料,對比加捻紗束與無捻紗束三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能,得出如下結(jié)論:
(1)加捻碳纖維股線拉伸性能隨著捻度增加整體先增后減,存在臨界值。
(2)采用股線Z-S捻向、單紗捻度為15 T/m,股線與單紗保持相同捻回角時,股線的拉伸性能最優(yōu),且各性能指標(biāo)離散系數(shù)均最低。
(3)經(jīng)紗采用單紗捻度為15 T/m加捻紗線之后,經(jīng)向的拉伸模量和斷裂強度均較無捻紗束復(fù)合材料的相同力學(xué)性能有所降低,其中經(jīng)向拉伸模量降低較少,僅減小了6.62%,但是經(jīng)向斷裂強度降幅較大,達到了21.98%;而相應(yīng)的緯向力學(xué)性能卻均有所升高,其中緯向拉伸模量增加了2.95%,而緯向斷裂強度增加了14.26%。
(4)經(jīng)向紗束加捻對三維機織復(fù)合材料的面內(nèi)剪切性能產(chǎn)生較小的影響。
通過以上試驗研究,可以看出碳纖維紗束加捻后主要影響紗線的拉伸性能和三維機織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向拉伸性能,對于復(fù)合材料的剪切性能影響較小。