黃 思，張 穎，閻述韜，劉曉峰

（天津城建大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

復(fù)合材料，即兩種或兩種以上具有不同理化性質(zhì)的材料以不同結(jié)構(gòu)尺度經(jīng)空間組合而形成的新材料系統(tǒng)[1]，相比組分材料，復(fù)合材料能通過復(fù)合效應(yīng)獲得性能的改善，其研究水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的標(biāo)志之一[2].在各種各樣的復(fù)合材料中，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱FRP）的應(yīng)用最為廣泛.

為了增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，目前Boger 等人通過填充納米顆粒，提高了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層合板的抗疲勞性能[3]. 代少偉等人利用氧化石墨烯的制備（GO）改性碳纖維/環(huán)氧樹脂（CF/E54-DDS）混合復(fù)合材料，加速了改性樹脂體系的固化反應(yīng)[4].陳杰、盧祉巡制備了玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，研究了不同層數(shù)玄武巖纖維布對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和斷裂韌性的影響.結(jié)果表明：玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有良好的抗彎強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性[5].洪曉東等人采用偶聯(lián)劑KH5 對(duì)玄武巖纖維（BF）進(jìn)行改性，研究了表面改性BF 的長(zhǎng)度和用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明：隨著BF 長(zhǎng)度的增加和添加量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到改善[6].王海良等人研究了紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下BFRP 布的耐久性，隨著耦合作用時(shí)間的增加，兩種環(huán)境耦合作用影響大于單一環(huán)境作用影響[7].

混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的概念最早由日本的Hayashi 提出并開展研究[8]，其目的是彌補(bǔ)單一纖維增強(qiáng)存在的缺點(diǎn)和不足.混合纖維的組合形式不僅可以彌補(bǔ)單纖維的不足，而且力學(xué)性能優(yōu)良[9].Jalalvand 等人模擬了碳-玻璃復(fù)合纖維的斷裂模式，建立了纖維束細(xì)胞模型，研究了碳-玻璃復(fù)合纖維層合板的拉伸和壓縮性能[10].雷瑞等人證明碳纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合材料不僅具有碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和高比模量，又有玻璃纖維的良好斷裂韌性[11].

現(xiàn)如今碳纖維高昂的價(jià)格限制了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展，一些天然纖維在某些性能上接近碳纖維或玻璃纖維，且具有存儲(chǔ)量豐富、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).筆者使用天然玄武巖纖維，與碳纖維、玻璃纖維混雜獲得混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料體系，并研究纖維的組成及比例、纖維布的鋪層設(shè)計(jì)等參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.研究?jī)?nèi)容主要為：以手糊法制備不同種混雜纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過拉伸試驗(yàn)與彎曲試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究.通過對(duì)混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的考察，探究以天然纖維部分替代合成纖維的可行性，在保證復(fù)合材料力學(xué)性能滿足使用要求的前提下，更廣泛地使用天然材料，促進(jìn)材料的綠色化發(fā)展.

1 試驗(yàn)材料

1.1 纖維編織布

本試驗(yàn)使用3 種纖維編織布進(jìn)行層間混雜（纖維布之間進(jìn)行層疊），包括玻璃纖維布、碳纖維布和玄武巖纖維布，纖維布均為2×2 斜紋編織布，纖維克重均為200 g/m2.

1.2 環(huán)氧樹脂

本試驗(yàn)采用EL2 環(huán)氧積層樹脂和AT30 慢速環(huán)氧樹脂固化劑. EL2 環(huán)氧積層樹脂和固化劑質(zhì)量比為10 ∶3.

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 纖維板制備

本試驗(yàn)對(duì)混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究，參照纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB 1447—2005 設(shè)定試件形狀為矩形，尺寸為250 mm×25 mm.試驗(yàn)采用手糊法制備纖維板，具體過程如下：鋪設(shè)4層纖維布，每層均勻涂抹樹脂，外層分別包裹隔離膜、透氣氈，并放入真空袋中抽真空，目的是去除樹脂固化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣泡，保持真空狀態(tài)24 h.取出后放置7 d 使其充分固化.通過改變混雜纖維的種類、質(zhì)量比例和纖維布的鋪層角度，制備了共11 種混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板.

改變混雜纖維的種類，保持兩種纖維的質(zhì)量比為1 ∶1，交替鋪層，樣品編號(hào)如表 1 所示.

表1 混雜纖維的種類

改變混雜纖維的質(zhì)量比例，如表2 所示.

表2 混雜纖維的質(zhì)量比

改變混雜纖維的纖維布鋪層方式，在玄武巖纖維/玻璃纖維質(zhì)量比為1 ∶1 的條件下，鋪層角度有0°（垂直于纖維方向）和 45°（0°方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°），如表 3所示.

表3 混雜纖維的鋪層方式

2.2 力學(xué)試驗(yàn)

根據(jù)GB 1447—2005 纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)（AGS-X 100 kN，島津）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min.

根據(jù)GB 1449—2005 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)（AGS-X 100 kN，島津）進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，壓頭壓縮速率為2 mm/min.

3 結(jié)果與討論

3.1 纖維層板的拉伸性能

分別以不同種纖維布制備單層纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板，并根據(jù)拉伸性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB 1447—2005 測(cè)試了其拉伸性能，圖1 是不同纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線.表4 列出了不同纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能，數(shù)據(jù)表明碳纖維層板（CF）抗拉強(qiáng)度大，為3 724.9 N.玻璃纖維層板（GF）和玄武巖纖維層板（BF）的斷裂伸長(zhǎng)率比碳纖維層板大，說明玻璃纖維和玄武巖纖維的延性更大.

圖1 不同纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線

表4 不同纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能

3.2 混雜纖維種類對(duì)纖維層板力學(xué)性能的影響

3.2.1 拉伸性能

圖2 是不同種類混雜纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線，可以看出，3 條曲線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì).樣品未斷裂時(shí)，載荷隨位移增加而增加.當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，樣品中的纖維斷裂，曲線快速下降.表5列出了不同種類混雜纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能，對(duì)比分析各個(gè)樣品的抗拉強(qiáng)度可知，當(dāng)玻璃/碳纖維以 1 ∶1 的質(zhì)量比混合（即 1-1_G2C2）時(shí)，其抗拉強(qiáng)度最高，為3.57 GPa；其次1-3_C2B2 抗拉強(qiáng)度降低了9%；1-2_G2B2 抗拉強(qiáng)度降低了46%.由于BF 表面較粗糙，使得碳/玄武巖混雜的纖維板的抗拉強(qiáng)度低于碳/玻璃纖維混雜的纖維板.雖然如此，碳/玄武巖纖維混雜的纖維板的抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量均已接近碳/玻璃纖維混雜的纖維板，可見以玄武巖纖維代替玻璃纖維與碳纖維混雜具有可行性.當(dāng)玻璃纖維與玄武巖纖維1 ∶1 混雜時(shí)，雖然其抗拉強(qiáng)度僅為另外兩種組合的55%，但其斷裂伸長(zhǎng)率提高了37%，纖維板的延性提高.

3.2.2 彎曲性能

表5 不同種類混雜纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能

圖3 是不同種類混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線，可以看出，3 條曲線在第一階段荷載隨位移增大而增大，隨后逐漸進(jìn)入破壞階段，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，纖維板出現(xiàn)微小裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，纖維板中間下部受拉區(qū)出現(xiàn)斷裂，曲線下降.之后進(jìn)入第二階段，曲線因載荷繼續(xù)增大而緩慢上升，同時(shí)纖維板受力繼續(xù)彎折，樣品發(fā)生滑移，載荷逐漸降低，曲線下降.表6 列出了不同種類混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的破壞載荷，碳纖維與玄武巖纖維等比例混雜時(shí)，纖維板抗彎能力最強(qiáng)，破壞載荷為262.2 N；其次為碳纖維與玻璃纖維等比例混雜時(shí)，其破壞載荷降低了10%；當(dāng)玻璃纖維與玄武巖纖維混雜時(shí)，其抗彎性能最差，破壞載荷僅為碳/玄武巖纖維混雜時(shí)的62%.因此，在考慮抗彎性能時(shí)，玄武巖纖維可以取代玻璃纖維.

圖3 不同種類混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線

表6 不同種類混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的破壞載荷N

3.3 混雜纖維組成比例對(duì)纖維層板力學(xué)性能的影響

3.3.1 拉伸性能

圖4 是不同比例混雜纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線，將1-1_G2C2、1-2_G2B2 樣品拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與第二組拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起比較，可見6 條曲線荷載隨位移的增加而逐漸上升，當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到臨界值時(shí)，纖維層板斷裂，曲線快速下降.表7 列出了不同比例混雜纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能，CF/GF混雜時(shí)，CF 占纖維比例的50%時(shí)，拉伸性能最強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度為3.57 GPa；CF 占纖維比例的75%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了14%；CF 占纖維比例的25%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了36%.可見，CF 提升了GF 的抗拉強(qiáng)度，但并不是CF 比例越高越好，當(dāng)CF 占纖維比例的50%時(shí)性能最佳.BF/GF 混雜時(shí)，BF 占纖維比例的75%時(shí)，抗拉性能最強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度為2.56 GPa；BF 占纖維比例的50%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了23%；BF 占纖維比例的25%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了27%. 可見，BF/GF 混雜時(shí)抗拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維比例減少而降低.CF/GF 混雜的最高抗拉強(qiáng)度比BF/GF 混雜的最高抗拉強(qiáng)度高28%.

圖4 不同比例混雜纖維纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線

3.3.2 彎曲性能

圖5 是不同比例混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線，將1-1_G2C2、1-2_G2B2 樣品彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)與第二組彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起比較，可見6 條曲線的走勢(shì)基本上是緩慢上升的.當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，纖維層板出現(xiàn)微小裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展樣品中下部受拉區(qū)出現(xiàn)斷裂，曲線下降.之后進(jìn)入第二階段，曲線因載荷繼續(xù)增大出現(xiàn)微小上升，纖維層板受力繼續(xù)彎折，隨后樣品發(fā)生滑移，載荷逐漸減少，曲線下降.表8列出了不同比例混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的破壞載荷，CF/GF 混雜時(shí)，CF 占纖維比例的50%時(shí)，抗彎性能最強(qiáng)，破壞載荷為236.4 N；CF 占纖維比例的75%時(shí)，破壞載荷降低了7%；CF 占纖維比例的25%時(shí)，破壞載荷降低了44%.說明CF/GF 混雜時(shí)，在兩種纖維比例 1 ∶1 時(shí)，抗彎性能最佳.BF/GF 混雜時(shí)，BF 占纖維比例的50%時(shí)，抗彎性能最強(qiáng)，破壞載荷為161.2 N；BF 占纖維比例的75%時(shí)，破壞載荷降低了24%；BF占纖維比例的25%時(shí)，破壞載荷降低了14%.說明BF/GF 混雜纖維比例1 ∶1 時(shí)抗彎性能最強(qiáng).

圖5 不同比例混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線

表8 不同比例混雜纖維纖維層板彎曲試驗(yàn)的破壞載荷N

3.4 纖維鋪層角度對(duì)纖維層板力學(xué)性能的影響

3.4.1 拉伸性能

圖6 是不同纖維鋪層角度纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線，可以看出4 條曲線的走勢(shì)基本上是緩慢上升的.當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，纖維層板斷裂，曲線快速下降.表9 列出了不同纖維鋪層角度纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能，當(dāng)纖維均沿0°方向排布時(shí)，抗拉強(qiáng)度為2.55 GPa；當(dāng)?shù)诙硬ＡЮw維沿45°排布，其余0°方向排布時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了4%；當(dāng)?shù)诙?、三層玻璃纖維和玄武巖纖維沿45°排布，其余0°方向排布時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了16%；當(dāng)?shù)谝粚有鋷r纖維沿0°排布，其余沿45°排布時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了35%.隨著45°鋪層的層數(shù)越多，抗拉強(qiáng)度越低，彈性模量越小，彈性越差.主要因?yàn)?5°方向排布的纖維層板在拉應(yīng)力作用下纖維束中部承受的剪應(yīng)力最大，此角度首先出現(xiàn)破壞現(xiàn)象而導(dǎo)致拉伸性能差.

圖6 不同纖維鋪層角度纖維層板拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線

表9 不同纖維鋪層角度纖維層板拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能

3.4.2 彎曲性能

圖7 是不同纖維鋪層角度纖維層板彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線，可見，位移隨載荷增大而增大，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，纖維板出現(xiàn)微小裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，樣品中下部受拉區(qū)首先出現(xiàn)斷裂，曲線下降.進(jìn)入第二階段，曲線因載荷繼續(xù)增大而緩慢上升，纖維板繼續(xù)受力彎折，隨后樣品滑移.表10 列出了不同纖維鋪層角度纖維層板彎曲試驗(yàn)的破壞載荷，當(dāng)纖維均沿0°方向排布時(shí)，破壞載荷為126.2 N；當(dāng)?shù)诙硬ＡЮw維沿45°排布，其余0°方向排布時(shí)，破壞載荷提高了17%；當(dāng)?shù)诙?、三層玻璃纖維和玄武巖纖維沿45°排布，其余0°方向排布時(shí)，破壞載荷提高了33%；當(dāng)?shù)谝粚有鋷r纖維沿0°排布，其余沿45°排布時(shí)，破壞載荷提高了40%.45°鋪層層數(shù)越多，破壞載荷越高.主要因?yàn)?5°鋪層在抗彎過程中發(fā)揮了連接作用，出現(xiàn)裂紋后，45°鋪層傳遞了剪應(yīng)力，使整體上還可以承受垂直方向的載荷，不至于斷裂.

圖7 不同纖維鋪層角度纖維層板彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線

表10 不同纖維鋪層角度纖維層板彎曲試驗(yàn)的破壞載荷N

4 斷口形貌分析

圖8 是在超景深顯微鏡觀察到的拉伸斷口形貌.從照片中可以清楚地看出纖維層板的破壞有纖維被拔出和纖維層板被整體拉斷兩種形式.如圖8a，GF 在斷口處有分層甚至裸露的現(xiàn)象，由于局部應(yīng)力集中，荷載到達(dá)臨界值時(shí)破壞了玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合界面，引起脫粘，可見界面黏結(jié)性差，主要因?yàn)镚F表面光滑且粘合環(huán)氧樹脂較少.如圖8a 和8c 中，CF與環(huán)氧樹脂粘連緊密，CF 的破壞均為被拉斷，沒有出現(xiàn)過早的被拔出或者脫粘的現(xiàn)象，說明CF 與環(huán)氧樹脂間界面黏結(jié)性好.如圖8b、8d 和8e，BF 拉伸斷口出現(xiàn)被撕裂甚至局部分層的現(xiàn)象，由此可見BF 與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力比CF 與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力差，但優(yōu)于GF 與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力.

圖9 是在超景深顯微鏡觀察到的彎曲斷口形貌.從照片中可以分辨出4 層纖維，接觸壓頭部分有局部微小破碎的情況，板層中下部受拉區(qū)徹底斷裂，為了方便觀察斷口形貌而進(jìn)行徹底斷裂處理，如圖9a、9b和9d，在彎曲過程中纖維層板受力，GF 首先產(chǎn)生裂紋，隨后損傷不斷積累導(dǎo)致分層.如圖9a 和9c 所示，CF、BF 表現(xiàn)良好，僅在斷口處有短小纖維被拔出，沒有被提前拔出或者出現(xiàn)脫粘. 說明在抗彎性能方面GF 表現(xiàn)略差，彎曲過程中，容易最早到達(dá)其極限荷載，進(jìn)而出現(xiàn)過早的損壞.在承受彎曲荷載的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)優(yōu)先考慮BF 和CF.

圖8 纖維板拉伸斷口形貌

圖9 纖維板彎曲斷口形貌

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)保持纖維混雜比例為1 ∶1 而改變混雜纖維種類時(shí)，玄武巖纖維與碳纖維混雜的纖維板拉伸性能接近玻璃纖維與碳纖維混雜的纖維板的拉伸性能.在抗彎性能方面，玄武巖纖維與碳纖維混雜的纖維板優(yōu)于玻璃纖維與碳纖維混雜的纖維板.玄武巖纖維屬于天然纖維，儲(chǔ)存量豐富且環(huán)保，因此證明了玄武巖纖維代替玻璃纖維與碳纖維混雜具有可行性.

（2）對(duì)于纖維比例，玻璃纖維與碳纖維混雜比例1 ∶1 時(shí)拉伸性能和彎曲性能最佳.玄武巖纖維與玻璃纖維混雜時(shí)，玄武巖纖維占纖維比例的75%時(shí)，拉伸性能最強(qiáng)，表明拉伸性能隨玄武巖纖維比例增加而增強(qiáng).在彎曲性能方面，玄武巖纖維與玻璃纖維混雜比例1 ∶1 時(shí)最佳.玻璃纖維與碳纖維混雜的纖維層板最高抗拉強(qiáng)度比玄武巖纖維與玻璃纖維混雜的纖維層板最高抗拉強(qiáng)度高28%.在抗彎能力方面，玻璃纖維與碳纖維混雜的纖維層板最高彎曲強(qiáng)度比玄武巖纖維與玻璃纖維混雜的纖維層板最高彎曲強(qiáng)度高31%.因此在與玻璃纖維混雜的纖維層板中，玄武巖纖維很難取代碳纖維.

（3）玄武巖纖維與玻璃纖維混雜的纖維層板纖維鋪層角度中，45°鋪層在抗彎過程中發(fā)揮了連接作用，隨著45°鋪層的層數(shù)增多，纖維層板的抗彎性能得到增強(qiáng)，但同時(shí)纖維層板彈性模量逐漸降低，拉伸性能減弱.在實(shí)際應(yīng)用中，可以改變45°鋪層層數(shù)，獲得不同纖維層板以符合不同領(lǐng)域的要求.

（4）對(duì)超景深顯微鏡觀察到的拉伸斷口形貌進(jìn)行分析，玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力比碳纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力差，但優(yōu)于玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合力.在纖維層板的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先考慮碳纖維與玄武巖纖維，使纖維板發(fā)揮出最優(yōu)良的性能.