內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080

有學(xué)者將玄武巖纖維與碳纖維、芳綸和高分子量聚乙烯纖維并稱為中國(guó)四大高技術(shù)纖維[1]。玄武巖纖維由于其具有原料豐富、性能優(yōu)異和市場(chǎng)需求廣泛等特點(diǎn)得到了快速發(fā)展，且隨著科技的不斷發(fā)展和研究的不斷深入，會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，為我國(guó)的高性能纖維的發(fā)展和應(yīng)用起到促進(jìn)作用[2]。

目前，提高玄武巖纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的途徑主要是表面處理，其方法多來(lái)源于玻璃纖維的表面處理[3]。改變?cè)鰪?qiáng)體結(jié)構(gòu)也是提高玄武巖纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的重要途徑。Zhu等[4]通過(guò)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了玄武巖纖維層合板的縱向強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)大于其橫向。魏斌[5]確證了玄武巖纖維層內(nèi)混雜層合板的力學(xué)性能不僅同時(shí)優(yōu)于玄武巖纖維層間混雜層合板和玄武巖纖維夾芯混雜層合板，而且與碳纖維層合板的力學(xué)性能接近，前者的性價(jià)比較高。張明星等[6]采用玄武巖纖維平紋織物和四種玄武巖纖維針織物(其組織結(jié)構(gòu)分別為羅紋、雙羅紋、平針和羅紋空氣層)進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，相對(duì)于四種玄武巖纖維針織物，玄武巖纖維平紋織物具有較高的拉伸斷裂強(qiáng)力和較小的拉伸斷裂伸長(zhǎng)。魏珺儒[7]采用磁控涂層方法改進(jìn)碳纖維復(fù)合材料，其界面性能得到明顯提升，隨著摻雜引入的Fe2O3/石墨烯用量的增加，界面的剪切強(qiáng)度可提高20.43%，碳纖維的強(qiáng)度也得到提升，碳纖維單絲的斷裂拉伸強(qiáng)度提高了23.00%。

當(dāng)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，復(fù)合材料的各種性能會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在二維機(jī)織結(jié)構(gòu)中，玄武巖纖維除了以平紋織物的形式存在外，還可以單軸向織物的形式存在[8]。本文分別以玄武巖纖維平紋織物(P)和玄武巖纖維單軸向織物(U)作為增強(qiáng)體，鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為PPPP、UUUU、PUPU，以E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂/2511-1BT固化劑為基體(其質(zhì)量比為100 ∶30)，通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料樣品成型，然后測(cè)試復(fù)合材料樣品的拉伸性能和纖維體積分?jǐn)?shù)。為了更準(zhǔn)確地比較復(fù)合材料樣品的拉伸性能，將其纖維體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)一為45%，通過(guò)計(jì)算得到復(fù)合材料樣品的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量模量，分析纖維排列對(duì)復(fù)合材料樣品拉伸性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

P由相互垂直的兩個(gè)系統(tǒng)的紗線按照一定規(guī)律交織形成，其經(jīng)緯向都有良好的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。U由兩個(gè)方向的紗線組成，分別是0°方向(即經(jīng)向)的玄武巖纖維增強(qiáng)紗和90°方向的滌綸捆綁紗。P和U的基本參數(shù)分別如表1和表2所示，其實(shí)物如圖1所示。

表1 P的基本參數(shù)

表2 U的基本參數(shù)

(a) P

(b) U

1.2 復(fù)合材料樣品制備

通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝實(shí)現(xiàn)三種不同鋪層結(jié)構(gòu)(即PPPP、 UUUU、 PUPU)的復(fù)合材料樣品成型，增強(qiáng)體均采用同向四層鋪放。基體中E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂(簡(jiǎn)稱“樹(shù)脂”)和2511-1BT固化劑(簡(jiǎn)稱“固化劑”)的質(zhì)量比為100 ∶30。真空度為-0.095 MPa。灌注結(jié)束后放入烘箱，溫度設(shè)置為80 ℃，固化8 h，即完成復(fù)合材料樣品制備。

1.3 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)在深圳市君瑞儀器設(shè)備有限公司的WDW-30萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。參照ASTM D 3039 ∶2000《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》制備拉伸試驗(yàn)試樣，其尺寸為250.000 mm×25.000 mm×1.000 mm。由于試樣在夾持區(qū)域容易受到損傷，為了避免此類損傷且能更好地從夾持區(qū)域傳遞載荷，分別在試樣兩端粘貼50.000 mm×25.000 mm的加強(qiáng)片。夾頭移動(dòng)速率設(shè)定為2 mm/min，對(duì)試樣進(jìn)行0°方向的拉伸試驗(yàn)，取五個(gè)測(cè)試值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.4 纖維體積分?jǐn)?shù)

參照ASTM D 3171 ∶2009《復(fù)合材料組成物含量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，應(yīng)用燃燒法測(cè)試復(fù)合材料試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)。首先取一定量的復(fù)合材料試樣并準(zhǔn)確稱取其質(zhì)量W0(g)，然后在450～650 ℃下灼燒，樹(shù)脂和固化劑被蒸發(fā)，稱取剩余物的質(zhì)量，即復(fù)合材料試樣中的纖維質(zhì)量Wf(g)，再根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算纖維體積分?jǐn)?shù)Vf：

Wm=W0-Wf

(1)

(2)

其中：ρf——纖維密度，g/cm3；

ρm——基體密度，g/cm3；

Wm——基體質(zhì)量，g。

1.5 當(dāng)量拉伸性能

由于三種復(fù)合材料試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)不同，為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，引入當(dāng)量拉伸性能(即當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度、當(dāng)量拉伸模量及當(dāng)量拉伸斷裂伸長(zhǎng)率)的概念。

其中：Fut——拉伸斷裂強(qiáng)度，MPa。

同理，通過(guò)計(jì)算得到三種復(fù)合材料試樣的當(dāng)量拉伸模量和當(dāng)量拉伸斷裂伸長(zhǎng)率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

三種復(fù)合材料試樣0°方向的拉伸性能和當(dāng)量拉伸性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3三種復(fù)合材料試樣0°方向的拉伸性能和當(dāng)量拉伸性能測(cè)試結(jié)果

指標(biāo)試樣鋪層結(jié)構(gòu)PPPPUUUUPUPU最大應(yīng)力/N80181506713906拉伸斷裂強(qiáng)度/MPa313.0555.0543.0拉伸模量/GPa5.3027.3818.765拉伸斷裂伸長(zhǎng)率/%6.20012.3006.800纖維體積分?jǐn)?shù)/%41.6144.9747.90當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度/MPa338.5555.4510.1當(dāng)量拉伸模量/GPa5.7347.3868.234當(dāng)量拉伸斷裂伸長(zhǎng)率/%5.73412.3086.388

由表3可見(jiàn)，三種復(fù)合材料試樣中，UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度最大，為555.4 MPa，略高于PUPU鋪層結(jié)構(gòu)(510.1 MPa)，比PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(338.5 MPa)提高了64.08%；PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量拉伸模量最大，為8.234 GPa，比當(dāng)量拉伸模量最小的PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(5.734 GPa)提高了43.60%；UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量拉伸斷裂伸長(zhǎng)率最大，為12.308%，約是PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(6.705%)和PUPU鋪層結(jié)構(gòu)(6.388%)的兩倍。

PPPP鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量拉伸模量均最低。其原因，一是P(即玄武巖纖維平紋織物)中兩個(gè)系統(tǒng)紗線因交織而發(fā)生屈曲，而且交織得比較稀松，相鄰紗線之間的空隙大，纖維體積分?jǐn)?shù)低(41.61%)，纖維又是載荷的主要承載體，進(jìn)一步弱化了試樣的強(qiáng)度；二是紗線位于織物平面內(nèi)，即使有較小外力作用在織物表面，紗線位置也會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)給玄武巖纖維平紋織物的均勻性帶來(lái)不良影響，使得試樣中存在弱節(jié)，因此試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度下降。

UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量拉伸斷裂伸長(zhǎng)率均最大。U(即玄武巖纖維單軸向織物)中玄武巖纖維紗線只鋪放在經(jīng)向，它們彼此之間只有滌綸紗線(即捆綁紗)的約束作用，從纖維細(xì)度看，U的經(jīng)向紗線強(qiáng)力明顯大于P的經(jīng)緯向紗線強(qiáng)力。單軸向排列的玄武巖纖維紗線在捆綁紗的作用下，其位置比較固定，所以UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性較好。另外，U中玄武巖纖維紗線之間沒(méi)有交織，其在織物面內(nèi)呈伸直狀態(tài)，纖維排列方向和拉伸方向平行，而且UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)(44.97%)比PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(41.61%)增加了3.36%，前者能承載載荷的纖維根數(shù)比后者多，即前者的拉伸斷裂強(qiáng)度高于后者。

PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度比UUUU鋪層結(jié)構(gòu)略低，下降了8.16%，但前者的當(dāng)量拉伸模量比后者提高了11.50%。由此可見(jiàn)，將P與U交替鋪放形成的PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣，其拉伸性能與UUUU鋪層結(jié)構(gòu)相比并未出現(xiàn)大幅度下降。玄武巖纖維平紋織物中經(jīng)緯向紗線因交織而發(fā)生屈曲，而玄武巖纖維單軸向織物中紗線呈伸直狀態(tài)，其自身在0°或90°方向具有加強(qiáng)作用，兩者交替鋪放，結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，纖維體積分?jǐn)?shù)有所提高，其拉伸性能也未大幅降低。與PPPP鋪層結(jié)構(gòu)相比，PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能有大幅度的提高，后者的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度、當(dāng)量拉伸模量分別提高了50.69%、 43.60%。

圖2為三種復(fù)合材料試樣0°方向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。U為玄武巖纖維單軸向織物，其0°方向?yàn)槔w維排列方向，即UUUU、PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣中0°方向均為纖維排列方向。對(duì)于UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣，其纖維排列方向具有很高的強(qiáng)度，0°方向的紗線線密度明顯高于90°方向的捆綁紗和玄武巖纖維平紋織物中的紗線。因此，UUUU和PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的最大應(yīng)力明顯高于PPPP鋪層結(jié)構(gòu)。由圖2可知，三種復(fù)合材料試樣0°方向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著差異。三條曲線的起始段均不平滑，之后逐漸變得平滑，其主要原因是基體和增強(qiáng)體的斷裂存在不同時(shí)性。在拉伸初始階段，由基體承載大部分載荷；然后，拉伸過(guò)程繼續(xù)，隨著基體的不斷開(kāi)裂，樹(shù)脂-纖維界面脫黏，主要載荷變?yōu)橛稍鰪?qiáng)體承載，因而曲線逐漸平滑；隨著拉伸應(yīng)力繼續(xù)增大，增強(qiáng)體逐漸被破壞，直至試樣斷裂。UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出類似兩次斷裂的情況，曲線先上升，然后下降，之后再次上升，直至斷裂。此時(shí)，增強(qiáng)體為拉伸應(yīng)力承載體，其中的部分纖維斷裂但起主要支撐作用的部分纖維未斷裂，或者纖維分層斷裂，還有部分纖維承載，繼續(xù)拉伸至纖維全部斷裂，試樣才完全失效。

圖2 三種復(fù)合材料試樣0°方向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

本文采用玄武巖纖維平紋織物(P)、玄武巖纖維單軸向織物(U)形成不同鋪層結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)體，以E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂和2511-1BT固化劑(質(zhì)量比為100 ∶30)作為基體，由真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝制得復(fù)合材料樣品，再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和纖維體積分?jǐn)?shù)測(cè)試，探討纖維排列對(duì)其拉伸性能的影響，得到：

(1) 對(duì)PPPP、 UUUU、 PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的三種復(fù)合材料試樣沿0°方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量拉伸斷裂強(qiáng)度最大，為555.4 MPa，略高于PUPU鋪層結(jié)構(gòu)(510.1 MPa)，比PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(338.5 MPa)提高了64.08%；PUPU鋪層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量拉伸模量最大，為8.234 GPa，比當(dāng)量拉伸模量最小的PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(5.734 GPa)提高了43.60%；UUUU鋪層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量拉伸斷裂伸長(zhǎng)率最大，為12.308%，約是PPPP鋪層結(jié)構(gòu)(6.705%)和PUPU鋪層結(jié)構(gòu)(6.388%)的2倍。

(2) 三種復(fù)合材料試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈線性，即隨著應(yīng)變的不斷增加，應(yīng)力逐漸增大。在拉伸初始階段，載荷主要由基體承載，且伴隨著樹(shù)脂開(kāi)裂和樹(shù)脂-纖維界面脫黏，曲線不平滑；隨著應(yīng)變的增加，載荷主要由增強(qiáng)體承載，曲線逐漸變得平滑，直至纖維全部斷裂。

(3) 玄武巖纖維單軸向織物本身具有單方向的加強(qiáng)作用，以其為增強(qiáng)體的復(fù)合材料試樣(即UUUU鋪層結(jié)構(gòu))的拉伸性能遠(yuǎn)優(yōu)于以玄武巖纖維平紋織物為增強(qiáng)體(即PPPP鋪層結(jié)構(gòu))的復(fù)合材料試樣，但玄武巖纖維單軸向織物和玄武巖纖維平紋織物交替鋪放(即PUPU鋪層結(jié)構(gòu))形成的復(fù)合材料試樣的拉伸模量得到很大提高。由此可見(jiàn)，纖維排列對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能具有重要影響，這可為建筑物修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)提供一定的指導(dǎo)。為了能夠綜合地反映復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以在后續(xù)試驗(yàn)中測(cè)試其彎曲性能。

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