(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

1 引 言

玄武巖纖維(CBF)是以天然玄武巖礦石作為原料，通過(guò)鉑鍺合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維[1]。玄武巖纖維作為一種無(wú)機(jī)高性能環(huán)保纖維，因其具有高強(qiáng)高模、耐高溫以及化學(xué)穩(wěn)定等獨(dú)特優(yōu)良的性能，在很多方面可替代昂貴的芳綸纖維和碳纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體[2]。大力開(kāi)發(fā)玄武巖纖維及其復(fù)合材料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其在航空、船舶、汽車(chē)和建材等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景[3-6]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅包括纖維與基體樹(shù)脂含量設(shè)計(jì)，還包括纖維織物結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)[7-9]。目前對(duì)于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究多是圍繞復(fù)合成型工藝及參數(shù)、纖維表面處理等對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響展開(kāi)[10-12]，缺乏關(guān)于織物結(jié)構(gòu)對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能影響方面的研究。因此，針對(duì)不同的織物結(jié)構(gòu)形式，如單向布、平紋織物和2.5維(2.5D)織物這三種典型結(jié)構(gòu)，對(duì)比研究織物結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響具有深刻意義。

采用RTM工藝制備了纖維體積分?jǐn)?shù)為(45±3)%的單向布、平紋及2.5D玄武巖纖維織物復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)，從宏觀角度研究了三種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉/彎性能，并從微觀上對(duì)其破壞后試樣的斷口進(jìn)行觀察，分析了不同結(jié)構(gòu)形式織物復(fù)合材料力學(xué)性能及破壞機(jī)制之間的差異，以期為玄武巖纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)采用的玄武巖纖維規(guī)格為13μm×200根；采用機(jī)織工藝分別制備了單向布、平紋布和2.5D淺交彎聯(lián)織物，三種織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。樹(shù)脂采用WSR618型E-51環(huán)氧樹(shù)脂以及WHR-H023型聚醚胺類(lèi)固化劑。

表1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Fabric structure parameters

2.2 復(fù)合材料的制備

采用樹(shù)脂傳遞模塑成型(RTM)工藝一次性制備所需復(fù)合材料。單向布和平紋布采用鋪層工藝，鋪層厚度為2mm，鋪層角度分別為(0°/90°)4s和(0°/90°)2s。2.5D織物為整體成型，厚度為2mm，即制備的復(fù)合材料具有基本相同的厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)，從而保證材料性能具有可比性。將織物放置模具中，在壓力為2MPa，溫度為40℃的條件下注入樹(shù)脂，待兩個(gè)出膠口出膠均勻且無(wú)氣泡排出時(shí)停止注膠，70℃固化2h。其合成工藝路線如圖1所示。

圖1 樹(shù)脂傳遞模塑工藝流程圖Fig.1 Flow chart for resin transfer molding process

2.3 結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試

分別按照國(guó)標(biāo)GB/T1447-2005、GB/T1449-2005進(jìn)行樣品的拉伸、彎曲性能測(cè)試。試樣厚度為2.0mm。其中，拉伸試驗(yàn)取樣尺寸為10×120mm，試驗(yàn)速度2mm/min，實(shí)驗(yàn)件形狀為啞鈴形；彎曲實(shí)驗(yàn)取樣尺寸為15×60mm，試驗(yàn)速度為2mm/min，實(shí)驗(yàn)件形狀為矩形。試樣如圖2所示。采用Instron 3385H型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸強(qiáng)度、模量和彎曲強(qiáng)度、模量，每組測(cè)試有效數(shù)據(jù)不少于5個(gè)，取其平均值為最終結(jié)果，并采用SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣斷面形貌。

圖2 玄武巖織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料 (a)拉伸試樣；(b)彎曲試樣Fig.2 Basalt fabric reinforced epoxy resin composites(a)Tensile specimen;(b)Curved specimen

3 結(jié)果與分析

3.1 拉伸性能

表2所示為三種織物結(jié)構(gòu)的玄武巖織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。由表2可知，單向布增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高，平紋織物和2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度基本相同。三種玄武巖織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸應(yīng)變基本一致。

表2 三種織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Tensile test results of three fabrics reinforced composites

圖4 三種不同織物結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料拉伸斷口形貌SEM圖片 (a)單向布;(b)平紋布;(c)2.5D織物Fig.4 Scanning fracture morphology of composites with three different fabric structures(a)Unidirectional cloth;(b)Plain woven fabric;(c)2.5D curved shallow-crossing linking fabric

圖3為三種不同結(jié)構(gòu)織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖可見(jiàn)，三種復(fù)合材料均在應(yīng)變較小時(shí)就發(fā)生脆性斷裂破壞，單向織物和平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量均大于2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料內(nèi)部的纖維或纖維束在材料受到拉伸載荷時(shí)會(huì)承擔(dān)應(yīng)力傳遞與分配的作用。由于三種復(fù)合材料內(nèi)部的纖維體積含量基本相同，因此，織物內(nèi)部的纖維、纖維束的排列與分布狀態(tài)會(huì)成為影響復(fù)合材料拉伸性能的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)織物結(jié)構(gòu)分析可知，與平紋織物及2.5D織物中的纖維束彎曲交織不同，單向織物內(nèi)纖維束排列平直，有效避免了纖維束的屈曲效應(yīng)，因此單向織物增強(qiáng)復(fù)合材料在受到拉伸載荷時(shí)纖維束的強(qiáng)度利用系數(shù)較高，復(fù)合材料抵抗變形能力較強(qiáng)。因此，單向織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高于平紋織物復(fù)合材料和2.5D織物復(fù)合材料。

圖3 三種不同結(jié)構(gòu)織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 Tensile stress -strain curves of three different fabrics reinforced composites

圖4為三種復(fù)合材料拉伸破壞斷面形貌SEM照片。由圖4(a)可知，單向織物增強(qiáng)復(fù)合材料的斷面出現(xiàn)分層且排列不規(guī)則，單向織物中纖維束之間不交織，因此同一鋪層內(nèi)各纖維束間應(yīng)力分配不均衡，部分纖維束在達(dá)到最大拉伸應(yīng)力前已先斷裂失效，形成斷面錯(cuò)落的狀態(tài)。由圖4(b)可知，平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸斷口較整齊，分層現(xiàn)象不明顯。對(duì)織物結(jié)構(gòu)分析可知，平紋織物中經(jīng)、緯方向纖維束的交錯(cuò)，使得纖維束間排列結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，受到拉伸載荷時(shí)纖維束間應(yīng)力分布較均勻。由圖4(c)可知，2.5D織物復(fù)合材料拉伸斷面比較整齊，可以明顯的在斷面中觀察到抽拔出來(lái)的纖維。由于2.5D織物結(jié)構(gòu)纖維彎曲變形較大且較為致密，在相同工藝條件下，樹(shù)脂沒(méi)有完全滲透織物，因此樹(shù)脂與纖維界面結(jié)合不太牢固，在承受拉伸載荷時(shí)纖維從樹(shù)脂中被抽拔出來(lái)，從而導(dǎo)致材料失效，整體拉伸性能不佳。由于緯紗間用于捆綁的經(jīng)紗彎曲程度較大，因此試樣在拉伸過(guò)程中經(jīng)紗在承受垂直拉伸方向的能力較差。所以雖然2.5D織物復(fù)合材料在受到拉伸破壞時(shí)是以一個(gè)整體在承受拉伸載荷，但可承受的最大拉伸應(yīng)力較低。

3.2 彎曲性能

表3所示為三種織物結(jié)構(gòu)玄武巖織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料橫向試樣的彎曲性能測(cè)試結(jié)果。由表3可知三種復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度大小為：2.5D織物>平紋織物>單向織物；彈性模量大小為：平紋織物>2.5D織物>單向織物。

表3 三種織物增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Bending test results of three fabrics reinforced composites

圖5為三種不同織物結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料的彎曲載荷-撓度曲線圖。從圖可見(jiàn)，三種復(fù)合材料的彎曲破壞形式均為塑性特征。2.5D織物復(fù)合材料彎曲性能明顯優(yōu)于其他兩種織物增強(qiáng)復(fù)合材料。單向織物復(fù)合材料和平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料的橫、縱向試樣彎曲強(qiáng)度基本一致，2.5D織物復(fù)合材料緯向試樣彎曲性能優(yōu)于經(jīng)向試樣(纖維上下彎曲方向)。圖中曲線起始段較小的屈服點(diǎn)是由于開(kāi)始測(cè)試后上壓頭接觸到試樣時(shí)，上表面開(kāi)始發(fā)生形變，這是由表層樹(shù)脂產(chǎn)生破碎造成的。試樣在受到三點(diǎn)彎載荷時(shí)，上表面主要受到壓縮應(yīng)力，下表面主要受到拉伸應(yīng)力。隨著載荷的逐漸增大，單向織物復(fù)合材料和平紋織物復(fù)合材料試樣開(kāi)始分層，并伴隨著試樣下表面織物斷裂，試樣逐層斷裂失效。2.5D織物復(fù)合材料試樣彎曲過(guò)程中不存在分層斷裂的現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到極限載荷時(shí)，試樣迅速整體失效。

圖5 三種不同織物結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料的彎曲載荷-撓度曲線 (a)經(jīng)向試樣;(b)緯向試樣Fig.5 Bending load-deflection curves of composites reinforced with three different fabric structures (a)warp sample;(b)weft sample

圖6 三種不同織物結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料彎曲斷口形貌SEM圖(a)單向布;(b)平紋布;(c)2.5D織物Fig.6 Fracture morphology of composites reinforced with three different fabric structures (a)unidirectional cloth;(b)plain woven fabric;(c)2.5D curved shallow-crossing linking fabric

圖6為單向、平紋及2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲斷面電鏡照片。通過(guò)觀察試樣的斷面形貌可知：復(fù)合材料在受到彎曲破壞后，單向織物和平紋織物復(fù)合材料的試樣斷面呈現(xiàn)逐層破壞的特征。2.5D織物復(fù)合材料試樣斷面比較平齊，伴隨有少量的纖維斷裂和抽拔現(xiàn)象。在進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試時(shí)，由于試樣上層主要受壓縮應(yīng)力，下層主要受拉伸應(yīng)力。因此，隨著彎曲載荷的不斷增加，試樣下層首先發(fā)生基體開(kāi)裂，隨著裂口不斷增加最后導(dǎo)致整體被破壞。由試樣斷面分析可得，以單向布和平紋織物鋪層制成的復(fù)合材料在承受彎曲載荷作用時(shí)，織物厚度方向沒(méi)有連接，各層之間沒(méi)有形成良好的協(xié)同效應(yīng)，因此復(fù)合材料整體彎曲強(qiáng)度和彎曲模量較低。2.5D織物復(fù)合材料縱向試樣纖維束間用于捆綁的經(jīng)紗將相鄰排列的緯紗捆綁在一起，纖維束間對(duì)于載荷的傳遞優(yōu)于橫向試樣和其他兩種織物層疊后以樹(shù)脂基體粘接在一起的復(fù)合材料。這種對(duì)載荷優(yōu)良的傳遞性能，使得2.5D織物復(fù)合材料在受到彎曲破壞時(shí)是以一個(gè)整體在承受彎曲載荷，因此有效提高了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

1．不同的織物結(jié)構(gòu)會(huì)影響玄武巖織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸和彎曲力學(xué)性能。當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)均為45%左右時(shí)，單向織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能優(yōu)于平紋織物和2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料。2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲性能優(yōu)于單向布和平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料，且2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)向彎曲性能優(yōu)于緯向彎曲性能；

2．玄武巖織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的主要拉伸斷裂特征和彎曲破壞特征分別為脆性斷裂和塑性破壞。單向織物和平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料在拉伸和彎曲破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生分層破壞，而2.5D織物增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為整體破壞。復(fù)合材料主要破壞形式表現(xiàn)為織物中纖維的斷裂及纖維-樹(shù)脂的界面脫粘。