梁荷葉 高曉平

摘 要：紡織結(jié)構(gòu)玄武巖纖維增強樹脂基復合材料具有優(yōu)異的力學性能。以四軸向經(jīng)編玄武巖織物為增強體，E-2511-1A環(huán)氧樹脂與2511-1BT固化劑混合膠液基體，基于真空輔助VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型技術制備復合材料試樣，實驗測試了準靜態(tài)下試樣沿0°，45°，90°的拉伸及彎曲性能。結(jié)果表明：四軸向經(jīng)編復合材料沿不同方向拉伸強度、模量的大小關系是90°>0°>45°；彎曲強度、模量的大小關系是90°>45°>0°。強度和模量區(qū)別主要取決于增強體紗線束的細度和排列。另外，拉伸斷裂截面顯示，四軸向經(jīng)編增強體可以有效改善拉伸分層失效和斷裂截面處纖維抽拔等現(xiàn)象；復合材料的彎曲破壞失效圖顯示，即使到最大彎曲撓度，試樣仍然沒有發(fā)生明顯斷裂，由此可知四軸向經(jīng)編玄武巖纖維增強復合材料具有較高的韌性。

關鍵詞：玄武巖纖維；四軸向經(jīng)編織物；復合材料；拉伸性能；彎曲性能

中圖分類號：TS186.1；TB332

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）06-0001-05

Abstract：The resin matrix composite reinforced by basalt fiber with textile structure has excellent mechanical behavior. The composite specimens were manufactured with quad-axial warp-knitted basalt fabric as the reinforcement， and E-2511-1A epoxy resin and 2511-1BT curing agent as mixed glue matrix with vacuum assisted resin infusion （VARI）. The quasi-static tensile and bending properties of composite specimen were tested experimentally along 0°， 45° and 90° direction. The results show that the relation between tensile strength and modulus of the composite is 90°>0°>45°. Meanwhile， the relation between bending strength and modulus of the composite is 90°>45°>0°. The strength and modulus are dependent on the fineness and arrangement of reinforced yarn. The tensile fracture section of composites shows that quad-axial warp-knitted fabric reinforcement can improve the tensile failure pattern and the fiber extraction at the cross section. The bending failure pattern shows that the specimen is not faulted obviously even at the maximum bending deflection， which indicates that the composite reinforced with warp-knitted basalt fabric has high toughness.

Key words：basalt fiber； quad-axial warp-knitted fabric； composite； tensile properties； bending properties

纖維增強樹脂基復合材料是由增強體纖維與基體材料通過某一種加工工藝復合而成的一種新型高性能材料，以其輕質(zhì)、高強度、低密度和抗疲勞等良好的性能在航空航天、風機葉片等領域得到廣泛應用[1-4]。玄武巖纖維作為一種新型的高性能纖維，具有高強、耐燒蝕、耐高低溫、化學穩(wěn)定性較強，且具有綠色環(huán)保的特點[5-8]。以玄武巖纖維為原料，利用多軸向經(jīng)編技術可以制備厚度較大的玄武巖纖維多層經(jīng)編織物，纖維束彼此之間平行伸直排列，沒有交織，可以最大程度發(fā)揮材料的拉伸強度，且織物尺寸穩(wěn)定性，可設計性強[8-10]。多軸向經(jīng)編增強體結(jié)構(gòu)是目前復合材料中應用最理想的增強體結(jié)構(gòu)，不但可以克服機織平紋織物因經(jīng)緯交織屈曲降低材料性能，而且襯墊針織紗線可以克服分層失效，從而提高復合材料抗層間損傷強度[9-11]。

本文以四軸向經(jīng)編玄武巖纖維織物為增強體，E-2511-1A環(huán)氧樹脂與2511-1BT固化劑混合膠液為基體，基于VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型技術來制備復合材料試樣。分別測試試樣沿0°，45°，90°方向上的拉伸與彎曲性能。分析纖維排列對試樣拉伸性能及彎曲性能的影響；分析試樣斷裂形貌特征，得出斷裂模式，并分析失效機理。

1 試樣制備

實驗所用的四軸向經(jīng)編玄武巖織物產(chǎn)自山東聚源玄武巖有限公司。紗線束的鋪層結(jié)構(gòu)是90°/-45°/0°/45°，不同軸向的主體紗線束均為玄武巖纖維無捻粗紗，其中玄武巖纖維原絲的直徑是13 μm，玄武巖纖維四軸向經(jīng)編增強體織物正面如圖1所示。增強體織物及組份紗線的性能如表1所示。

四軸向經(jīng)編玄武巖織物同向三層鋪放，選用E-2511-1A環(huán)氧樹脂和2511-1BT固化劑混合膠液為基體，基體材料相關數(shù)據(jù)如表2所示，樹脂和固化劑混合比例為100∶30，基于VARI成型技術來制備試樣，成型工藝如圖2所示。

2 實 驗

2.1 拉伸實驗

參照標準ASTM D6641M—2009《用組合載荷壓縮（CLC）固定試驗設備測定泵合體基復合材料層壓板壓縮特性的標準試驗方法》將成型后的復合材料沿0°、45°、90°三個方向切割，試樣尺寸為長250 mm×寬25 mm×厚度2 mm。為避免握持試件時，在夾頭位置出現(xiàn)試樣滑移和損傷，所以得在試件的兩端貼上加強片，加強片長為50 mm，寬為25 mm。實驗測試儀器為微機控制電子萬能試驗機，型號為WDW-30，沿試樣軸向勻速加載，直至試樣斷裂，加載速度為5 mm/min。

2.2 彎曲實驗

參照標準試驗參照ASTM D790—2010《未增強和增強塑料及電絕緣材料撓曲性試驗方法》將成型后的復合材料沿0°、45°、90°三個方向切割，試樣尺寸為長80 mm×寬13 mm×厚度2 mm。實驗測試儀器為微機控制電子萬能試驗機，型號為WDW-30。采用三點彎曲的方式，沿試樣軸向勻速地以2 mm/min的加載速度使試樣被破壞。

3 結(jié)果與分析

玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復合材料破壞形貌和拉伸、彎曲曲線如圖3所示。從圖3（a）拉伸應力-應變曲線來看，拉伸力值在達到峰值后，測試件會迅速的發(fā)生破壞直至測試件的失效。這說明在拉伸過程中幾乎是所有的玄武巖纖維同時發(fā)生斷裂，進一步說明可以最大程度的利用增強體纖維的力學性能。從圖3（b）彎曲載荷-撓度曲線可以看出，0°、45°、90°三個方向上的載荷撓度曲線很相似，說明試件的破壞機制和破壞方式是相似的。在剛開始的測試中，彎曲曲線基本上是一條直線，這主要是因為試件在剛開始承受載荷時，試樣的上受力面受壓，而下受力面受到拉伸作用，下表面的樹脂受到載荷作用出現(xiàn)斷裂。隨著載荷的持續(xù)增加，出現(xiàn)多次的彎曲分層破壞，試件的上下表面均受到破壞，在這過程中，應力沿增強體傳遞，增強體中的樹脂受到應力而出現(xiàn)微裂紋，彎曲模量減小，直至試件的整體失效。

目前國內(nèi)還沒有關于紡織結(jié)構(gòu)復合材料纖維體積分數(shù)的計算準則，此次試驗中復合材料的纖維體積分數(shù)用稱重法來計算，具體計算方法如式（1）和式（2）所示[7]。

玄武巖四軸向經(jīng)編復合材料拉伸、彎曲實驗數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

玄武巖四軸向經(jīng)編復合材料拉伸、彎曲實驗測試件均取自同一塊板材，但是由于不同方向的增強體織物結(jié)構(gòu)不同，因此不同角度試樣其纖維體積分數(shù)不盡相同，致使無法準確地去衡量它們的性能。在此引入復合材料比強度、比模量的概念，其計算方法如式（3）和式（4）所示。

從表1可以看出，玄武巖四軸向經(jīng)編增強體織物0°方向排列密度為40根/10 cm，而90°方向排列密度是24根/10 cm。0°和90°方向的紗線線密度分別為414 tex和1 098 tex，而從表3可以看出0°和90°方向拉伸強度卻相差不大，分別為185 MPa和224 MPa。所以玄武巖鋪層紗線束的排列密度和鋪層結(jié)構(gòu)對復合材料力學性能影響較大。從表3可以看出，玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復合材料拉伸強度、模量的大小關系為90°>0°>45°。從表1可以看出不同組份紗線束的細度大小關系是90°>0°>45°，所對應的增強體織物的拉伸強度大小關系也是如此，說明即使織物中有捆綁紗線，但是并不影響織物的整體拉伸性能。從表3可以看出，即使各方向鋪層紗線束之間存在較大差異，但是玄武巖四軸向經(jīng)編復合材料0°，45°和90°方向纖維體積分數(shù)卻近似相等，換言之，也就是三個方向的纖維含量近似相等。因此也說明鋪層紗線束的排列結(jié)構(gòu)對復合材料整體性能影響較大。玄武巖纖維四軸向經(jīng)編織物中紗線束的排列呈現(xiàn)“米字”結(jié)構(gòu)，所鋪設的纖維束層之間用經(jīng)編組織連接在一起，由于經(jīng)編組織的引入，織針在穿入的時候，就不可避免的引起鋪設纖維束的損傷。對增強織物拆解分析得到，織針對90°和0°方向的紗線束損傷最小，但是出于對織物整體尺寸穩(wěn)定性和復合材料中纖維體積分數(shù)的考慮，+45°和-45°兩個方向上的纖維束幾乎是粘連在一起的，織針不可避免的刺傷纖維，導致這兩個方向上的紗線束強度降低。玄武巖經(jīng)編四軸向織物中紗線束的排列為特殊的米字結(jié)構(gòu)，當90°方向的織物受到拉伸載荷時，與軸向拉伸方向平行，即90°方向上的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，但是0°方向上的紗線束沒有貢獻強力。此時±45°兩個方向上的纖維束呈垂直的結(jié)構(gòu)，但是由于織針對這兩個方向紗線束的刺傷，使得其只能貢獻少許的強力，主要還是起支撐作用。所以當90°方向的織物經(jīng)受拉伸載荷時，織物強度和紗線束的細度近似存在比例關系。但當+45°方向的織物受到拉伸載荷時，由于+45°上的紗線束細度與0°或90°方向上的相差甚遠，再加上織針的損傷，因此主承力方向的紗線束對織物強力的貢獻是比較小的。主承力方向上的纖維束受到拉伸載荷時，最先在薄弱地方發(fā)生斷裂導致主承力方向上的強力貢獻值迅速降到最低，拉伸載荷在織物內(nèi)重新分配。緊接著受力的是0°和90°方向的紗線束，此時這兩個方向呈垂直結(jié)構(gòu)，一方面繼續(xù)提供強力，另一方面在織物中起著支撐的作用。

通過計算得出玄武巖四軸向經(jīng)編復合材料0°，45°和90°三個方向的拉伸強度比值近似等于1，明顯的呈現(xiàn)出各向同性的力學性能特點。主要與增強體織物組份紗線束的細度和排列結(jié)構(gòu)有關。由于增強體材料是復合材料中的主承力構(gòu)件，而樹脂基體的作用是將增強材料在面內(nèi)固定下來，減少纖維之間的磨損，為增強體材料提供一種支撐，以及均衡和傳遞載荷，E-2511-1A環(huán)氧樹脂與2511-1BT固化劑混合膠液體系經(jīng)固化后具有良好的尺寸穩(wěn)定性。連續(xù)玄武巖纖維在生產(chǎn)加工的過程中，難免受到人為或機械原因造成纖維的表面弱節(jié)缺陷，當試件承受載荷時容易產(chǎn)生微裂紋，樹脂基體組份材料可以阻止微裂紋的延伸，當載荷持續(xù)增加時，樹脂基體會將所施加的外載荷重新分配，所以復合材料拉伸時在某一方向展現(xiàn)出的力學性能，并不是這一方向上材料的單獨作用，而是復合材料整體結(jié)構(gòu)協(xié)同產(chǎn)生的。因此復合材料各方向表現(xiàn)出的拉伸性能比例關系和單一增強體紗線力學性能之間并沒有特定的比例關系。除此之外，紡織結(jié)構(gòu)復合材料中的增強體材料和基體材料性能上取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使得紡織結(jié)構(gòu)復合材料整體綜合性能提高，因此可以滿足不同應用領域?qū)秃喜牧狭W性能的要求。增強體材料和樹脂基體材料之間所形成的結(jié)合界面強度的高低，將直接影響復合材料的整體性能，如若結(jié)合界面強度過大，則會產(chǎn)生脆性斷裂方式，破壞形式單一，影響復合材料整體的力學性能；結(jié)合界面若強度過低，則會發(fā)生樹脂的脫膠和增強體纖維的抽拔現(xiàn)象。從圖3（c）試件拉伸破壞形貌圖可以看出，玄武巖四軸向經(jīng)編復合材料試件在不同方向的拉伸斷裂截面特征基本相似，斷裂截面的形貌和增強體纖維束的鋪設角度結(jié)構(gòu)是一致的，換言之復合材料試件在承受載荷時，發(fā)生的脆性斷裂形式使得不同方向的增強體紗線束并不能完全發(fā)揮其力學性能，所以復合材料拉伸強度和單一增強體紗線束之間沒有出現(xiàn)特定的比例關系。

從表3經(jīng)編四軸向復合材料彎曲測試數(shù)據(jù)得出彎曲強度、模量的大小關系是90°>45°>0°，拉伸強度、模量的大小關系卻是90°>0°>45°。主要與增強體紗線束的鋪設結(jié)構(gòu)和紗線束的細度有關。明顯可以看出0°和45°方向的拉伸、彎曲性能有所差異，只要原因是增強體織物中紗線束的鋪層角度結(jié)構(gòu)。與彎曲載荷軸向方向相垂直的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，但是此時在拉伸實驗中起支撐作用的相同紗線束，在承受彎曲載荷時，卻可以發(fā)揮“均衡載荷”的作用，因此會出現(xiàn)45°彎曲強度大于0°的實驗結(jié)果。從圖3（d）試件彎曲破壞形貌分析來看，彎曲破壞斷面圖可以看出，玄武巖纖維和樹脂并沒有發(fā)生類似拉伸時的剝離現(xiàn)象，樹脂和纖維在破壞以后基本粘結(jié)在一起，說明此次試驗所選用的E-2511-1A環(huán)氧樹脂體系的韌性很高。在試驗中發(fā)現(xiàn)，即使試件已經(jīng)達到了最大的彎曲撓度，但是試件仍然沒有發(fā)生斷裂，說明了玄武巖纖維復合材料的韌性比較良好。

4 結(jié) 論

通過以上對玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復合材料拉伸、彎曲性能測試分析，總結(jié)如下：

a）玄武巖纖維四軸向經(jīng)編復合材料拉伸強度、模量的大小關系為90°>0°>45°。主要與增強體織物組份紗線束的細度和排列結(jié)構(gòu)有關。當復合材料試件某一方向受到拉伸載荷時，與軸向拉伸方向平行的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，其他三個軸向上的紗線 束不受力或呈±45相互垂直的結(jié)構(gòu)，在復合材料拉伸時只起到支撐的作用。

b）經(jīng)編四軸向復合材料彎曲測試數(shù)據(jù)得出彎曲強度、模量的大小關系是90°>45°>0°。0°和45°方向的拉伸、彎曲性能有所差異，主要與增強體紗線束的鋪設結(jié)構(gòu)和紗線束的細度有關。與彎曲載荷軸向方向相垂直的紗線束為主承力結(jié)構(gòu)，拉伸實驗中起支撐作用的相同紗線束在承受彎曲載荷時，可以發(fā)揮“均衡載荷”的作用，因此會出現(xiàn)45°彎曲強度大于0°的結(jié)果。

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