劉小芳，張 元，梁自祿，喻 雄,譚帥霞,王 進

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412000)

0 前言

混雜纖維復合材料是指由兩種或兩種以上纖維增強的復合材料，主要作用在于取長補短，優(yōu)化功能和降低成本。碳?；祀s纖維的應用主要是為了降低碳纖維制品的成本，提高玻璃纖維制品的剛度、降低質(zhì)量[1-3]。目前已有少量文獻報道碳?；祀s纖維復合材料的研究。曾帥等[4]研究了單向不同混雜纖維結(jié)構(gòu)的復合材料的力學性能，馬騰等[5]研究了單向混雜纖維復合材料的拉伸破壞模式，黃博生等[6]研究了混雜纖維復合材料的混雜效應，戴明軍等[7]研究了單向混雜纖維復合材料的疲勞性能等。除了單向混雜纖維復合材料的研究外[8-9]，徐歡歡等[10-11]研究了多向混雜纖維復合材料的拉壓力學性能，錢元等[12]研究了正交三向混雜纖維復合材料。此外，Jalalvand M等[13-14]模擬了碳玻混雜纖維復合材料的破壞模式和建立纖維束單胞模型，研究了碳玻混雜纖維復合材料的拉伸和壓縮性能?，F(xiàn)有公開報道的文獻中，較少涉及混雜纖維對樹脂浸潤性和混雜纖維復合材料工藝性能的研究。筆者除了系統(tǒng)性地研究了碳?；祀s纖維復合材料的力學性能，還重點研究了碳玻混雜纖維復合材料濕熱老化性能和樹脂浸潤性。

1 實驗部分

1.1 主要材料

環(huán)氧樹脂，Olin760；碳纖維，中復神鷹，SYT49，12k；玻璃纖維，CPIC，TM+468GE。

碳?；祀s纖維通過層間混雜的方式織成碳纖維質(zhì)量分數(shù)分別為11%(面密度為1 450 g/m2)、30%(面密度為1 350 g/m2)、50%(面密度為550 g/m2)的單向混雜纖維布。

1.2 試樣制備

以不同質(zhì)量分數(shù)的碳?；祀s纖維單軸布，真空袋壓工藝制作復合材料板材，復合材料固化條件為：真空負壓-950±25 kPa，25 ℃，預固化50 ℃，保溫5 h，后固化80 ℃，保溫8 h。復合材料板材按照國際標準的規(guī)定進行裁切。

1.3 測試設備和條件

拉伸性能：按照ISO 527—2012《塑料 拉伸性能測定》進行測試，加載速率為2 mm/min，萬能試驗機INSTRON 8801。

壓縮性能：按照ISO 14126—1999《纖維增強塑料復合材料面內(nèi)壓縮性能測定》進行測試，加載速率為1 mm/min，萬能試驗機INSTRON 8801。

面內(nèi)剪切：按照ISO 14129—1997《纖維增強塑料復合材料 用±45°張力試驗測定平面剪應力/剪應變特性，包括平面剪切模量和剪切強度》進行測試，加載速率為2 mm/min，萬能試驗機INSTRON 8801。

彎曲性能：按照ISO 14125—1998《纖維增強塑料復合物彎曲性能測定》進行測試，加載速率為1 mm/min，萬能試驗機INSTRON 5967。

短梁剪切：按照ISO 14130—1997《纖維增強塑料短梁法層間剪切強度測定》進行測試，加載速率為1 mm/min，萬能試驗機INSTRON 5967。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳?；祀s纖維復合材料基本力學性能分析

對不同碳纖維質(zhì)量分數(shù)下的復合材料性能進行了研究，得到各碳纖維質(zhì)量分數(shù)下的混雜復合材料的0°拉伸、90°拉伸、0°壓縮、90°壓縮、剪切性能和彎曲性能等基本力學性能參數(shù)(見表1)。

表1 不同混雜比復合材料力學性能

通過對比玻璃纖維和碳纖維復合材料的拉伸強度可知，碳?；祀s纖維0°拉伸強度并不與碳纖維質(zhì)量分數(shù)增加呈遞增趨勢(見圖1)。在碳纖維質(zhì)量分數(shù)較低時，碳玻混雜纖維0°拉伸強度由于纖維混雜效應[6]，會略微降低。這是因為對于單向混雜纖維復合材料軸向拉伸來說，低延伸率的碳纖維首先被破壞，此時碳纖維屬于雜質(zhì)，剩下的玻璃纖維部分或整個樣件被破壞，其強度比同樣尺寸規(guī)格的玻璃纖維復合材料強度低。當碳纖維質(zhì)量分數(shù)較高時，碳?；祀s纖維0°拉伸強度隨著碳纖維質(zhì)量分數(shù)的增加而增加。

圖1 碳纖維質(zhì)量分數(shù)與0°拉伸強度的關(guān)系

無論對于0°拉伸還是壓縮來說，碳?；祀s纖維復合材料的模量隨著碳纖維質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，但并不呈線性關(guān)系(見圖2、圖3)。

圖2 碳纖維質(zhì)量分數(shù)與0°拉伸模量的關(guān)系

圖3 碳纖維質(zhì)量分數(shù)與0°壓縮模量的關(guān)系

當碳纖維質(zhì)量分數(shù)小于30%時，混雜復合材料模量與碳纖維質(zhì)量分數(shù)基本呈線性關(guān)系。當碳纖維質(zhì)量分數(shù)大于30%時，模量增大趨勢減緩，尤其是碳纖維質(zhì)量分數(shù)大于50%時，混雜纖維復合材料模量增加效果明顯降低。

碳纖維質(zhì)量分數(shù)與剪切強度的關(guān)系見圖4。由圖4可見，碳?；祀s纖維剪切強度隨著碳纖維質(zhì)量分數(shù)的增加而略有增大。與模量增加的趨勢剛好相反，碳纖維質(zhì)量分數(shù)較低時，混雜纖維復合材料剪切強度隨碳纖維質(zhì)量分數(shù)增加平緩，當碳纖維質(zhì)量分數(shù)大于50%時，混雜纖維復合材料剪切強度增長稍大，增幅達到16%。

圖4 碳纖維質(zhì)量分數(shù)與剪切強度的關(guān)系

2.2 碳?；祀s纖維濕熱老化性能

對碳?；祀s纖維復合材料樣條進行濕熱交變老化性能研究，老化條件為：1.5 h內(nèi)溫濕度轉(zhuǎn)換成60 ℃、相對濕度為95%，保持10.5 h，1.5 h內(nèi)溫濕度轉(zhuǎn)換成25 ℃、相對濕度為95%，保持10.5 h。如此循環(huán)，得到濕熱交變老化下碳玻混雜纖維復合材料的力學性能(見表2)。

從表2可以看出：除了個別數(shù)據(jù)外，0°拉伸強度和90°拉伸模量在濕熱老化前后變化較小。在老化21 d后，混雜復合材料0°拉伸模量相比老化前變化較小，而在老化28 d后拉伸模量急劇提高50%，這說明樹脂老化28 d后提高了軸向方向復合材料的剛度。

在老化28 d后90°方向拉伸強度和層間剪切強度分別降低了26%和28%，這主要是濕熱老化對纖維界面性能的影響所造成的。進一步分析表明：90°拉伸強度和層間剪切強度在濕熱老化6 d后，其性能同時急劇降低，再隨著老化時間的增加，性能基本穩(wěn)定，這說明纖維界面性能對濕熱等環(huán)境因素十分敏感。

2.3 碳?；祀s纖維樹脂浸潤性

采用碳纖維質(zhì)量分數(shù)為30%的碳?；祀s纖維布與玻璃纖維布進行灌注工藝研究，兩種布的玻璃纖維材料一致，基體材料皆采用陶氏760E，得到的結(jié)果見表3。從表3可看出，碳玻混雜纖維的樹脂浸潤速度明顯比玻璃纖維低，這是幾方面原因造成的：(1)碳纖維表面是惰性碳元素，雖然碳纖維制備過程中有上漿劑改善其表面活性，提高纖維與樹脂的浸潤性和界面結(jié)合性能，但是與玻璃纖維表面豐富的羥基等極性基團相比仍然遜色很多；(2)玻璃纖維直徑約17 μm，而碳纖維直徑只有7 μm，碳纖維布更致密，影響樹脂流動。

表2 濕熱交變老化下碳玻混雜纖維復合材料力學性能

表3 玻纖布和碳?；祀s布灌注參數(shù)比較

玻璃纖維0°方向上樹脂浸潤速度為4.34 cm2/s，碳纖維質(zhì)量分數(shù)為30%的碳玻混雜纖維的浸潤速度3.76 cm2/s，混雜纖維的樹脂浸潤速度降低了13%。同樣，對于90°方向上的樹脂浸潤的流速分別是0.91 cm2/s(玻璃纖維)、0.71 cm2/s(碳纖維質(zhì)量分數(shù)為30%的碳?；祀s纖維)，混雜纖維的樹脂浸潤流速降低了22%。

3 結(jié)語

(1) 總的來說，除了拉伸強度的混雜效應外，碳?；祀s復合材料的基本力學性能性能隨著碳纖維質(zhì)量分數(shù)的增大而增加。當碳纖維質(zhì)量分數(shù)小于30%時，混雜復合材料模量與碳纖維質(zhì)量分數(shù)基本呈線性增長關(guān)系，當碳纖維質(zhì)量分數(shù)大于50%時，混雜纖維復合材料模量增加效果明顯降低。

(2) 不同混雜比的復合材料老化28 d后， 0°方向拉伸模量增加50%，90°方向拉伸強度降低26%，剪切強度降低28%，濕熱對纖維界面性能影響較大。

(3) 碳纖維質(zhì)量分數(shù)為30%的碳?；祀s纖維在0°和90°方向上樹脂灌注速度比玻璃纖維分別降低13%和22%。