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）

0 前言

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。

1 實驗部分

1.1 原材料

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。

1.2 設(shè)備與儀器

萬能試驗機：Instron 5820，INSTRON公司。

1.3 加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能測試

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 加捻紗束三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能測試

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

2 結(jié)果與討論

2.1 加捻碳纖維浸膠紗拉伸性能測試結(jié)果

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%。

2.2 加捻紗束三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能測試結(jié)果

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

2.3 加捻紗束和無捻紗束三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能對比

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

3 結(jié)論

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。