玄武巖纖維增強(qiáng)縫合復(fù)合材料力學(xué)性能研究

張旭霞，楊彩云

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

玄武巖纖維增強(qiáng)縫合復(fù)合材料力學(xué)性能研究

張旭霞，楊彩云

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

對比研究了基于玄武巖纖維增強(qiáng)的無縫以及縫合復(fù)合材料層板的彎曲、拉伸以及II型層間斷裂韌性，研究結(jié)果表明：縫合有利于復(fù)合材料層板的彎曲性能，隨著縫合密度的逐漸增加，彎曲強(qiáng)度先增大后減小，彎曲模量逐漸減小；縫合不利于復(fù)合材料層板的拉伸性能，隨著縫合密度的逐漸增加，拉伸強(qiáng)度先減小后增大，拉伸模量逐漸增大；縫合提高了復(fù)合材料層板的層間斷裂韌性，GIIC隨著縫合密度的增大而增大。

玄武巖纖維；縫合復(fù)合材料；力學(xué)性能

1 引言

紡織纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因輕質(zhì)、高強(qiáng)、低成本等特點(diǎn)應(yīng)用十分廣泛，但是一般的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)因在使用過程中易分層、斷裂韌性和損傷容限低而受限[1-2]。縫合技術(shù)作為一種行之有效的層間連接技術(shù)，雖然會不可避免地造成復(fù)合材料面內(nèi)纖維的損傷，但是能夠改善傳統(tǒng)復(fù)合材料層板易分層的缺陷，提高復(fù)合材料的斷裂韌性等層間性能[1-7]。選用高性能的玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料，結(jié)合縫合技術(shù)和樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝制備產(chǎn)品性能可靠、對環(huán)境污染少的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板，對比相同厚度和纖維體積含量的無縫復(fù)合材料層板，研究縫合工藝對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，可以預(yù)測基于玄武巖纖維的縫合復(fù)合材料層板在實(shí)際應(yīng)用中的許用強(qiáng)度，有助于改進(jìn)縫合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拓展復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

原材料：BW13玄武巖平紋機(jī)織布，面密度為680g/cm2，織物經(jīng)緯密度4×4根/cm2，玄武巖單纖直徑為13μm。縫線為芳綸1313，線密度為10Tex。樹脂基體為環(huán)氧樹脂。

儀器設(shè)備:家用縫紉機(jī)，型號為ZYW-kxdx2-380V9KW的RTM復(fù)合設(shè)備。

2.2 復(fù)合材料層板制備

無論是否縫合，玄武巖纖維平紋布都采用無角度鋪層，鋪疊層數(shù)為6。選用縫合針距為3mm，縫合行距為3mm、5mm、7mm3種，縫線軌跡平行于試樣長度方向，干態(tài)條件下采用鎖式縫合方式縫紉玄武巖織物預(yù)成型體,然后采用RTM工藝復(fù)合制備厚度為3mm的復(fù)合材料層板，其中纖維體積含量為46±1%。

2.3 力學(xué)性能測試

彎曲性能測試參照國標(biāo) GB/T1449.2005，矩形試樣的尺寸：長(l)×寬(b)×厚(h)為 60×15×3mm3。

拉伸性能測試參照DqES77-98《塑料及纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用啞鈴狀，其中，試樣總長L 為 120mm，標(biāo)距 L0為 30mm，夾具間距離L3為 70mm，中間平行段寬度 b 為 10mm，端頭寬度b1為 25mm，試樣厚度 d為3mm。

II型斷裂韌性測試參照國標(biāo) HB 7403-1996，矩形試樣的尺寸：長(l)×寬(b)×厚(h)為140×25×3mm3，預(yù)制裂紋長度為 4cm，厚度為0.5mm。

上述力學(xué)性能測試都在INSTRON 萬能強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過計(jì)算所得復(fù)合材料層板各項(xiàng)力學(xué)性能見表3-1。

表3-1 復(fù)合材料層板力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3.1 彎曲性能結(jié)果與分析

分析表3-1可得縫合復(fù)合材料層板的彎曲強(qiáng)度均大于無縫層板的彎曲強(qiáng)度，隨著縫合行距的逐漸增大，縫合密度的逐漸減小，縫合復(fù)合材料層板的彎曲強(qiáng)度先增大后減小；相較于無縫合復(fù)合材料層板，3mm行距縫合降低了彎曲模量，5mm和7mm行距縫合提高了彎曲模量，隨著縫合行距的逐漸增大，縫合密度的逐漸減小，縫合復(fù)合材料層板的彎曲模量逐漸提高。

由圖3-1所示的彎曲載荷-位移曲線可得縫合復(fù)合材料層板的極限彎曲載荷均大于無縫層板的極限彎曲載荷，5mm行距縫合層板的彎曲承載能力最強(qiáng)，7mm次之，3mm最弱，說明彎曲加載時(shí)縫線引起的層間強(qiáng)度增加強(qiáng)于縫針穿刺導(dǎo)致的面內(nèi)強(qiáng)度損失，從而使得縫合有利于復(fù)合材料層板的彎曲性能。

3.2 拉伸性能結(jié)果與分析

分析表3-1可得縫合復(fù)合材料層板的拉伸強(qiáng)度均小于無縫層板的拉伸強(qiáng)度；較之無縫復(fù)合材料層板，3mm行距縫合層板的拉伸模量提高了0.043GPa，5mm和7mm行距縫合層板的拉伸模量分別降低了0.122GPa和0.224GPa。隨著縫合行距的逐漸增大，縫合密度的逐漸減小，縫合復(fù)合材料層板的拉伸強(qiáng)度先減小后增大，拉伸模量不斷減小。

從圖3-2所示的拉伸試樣破壞圖可得無縫復(fù)合材料層板比縫合復(fù)合材料層板分層明顯且破壞嚴(yán)重，無縫層板上下層發(fā)生斷裂，且斷裂處出現(xiàn)大量長毛刺，縫合層板上下表面有少許纖維抽拔和斷裂。這是因?yàn)榭p合改變了復(fù)合材料的拉伸破壞形式，縫合復(fù)合材料層板經(jīng)受拉伸載荷失效時(shí)，會發(fā)生環(huán)氧樹脂基體的開裂、芳綸縫線的斷裂以及玄武巖纖維的抽拔和拉斷，厚度方向上縫線的存在提高了結(jié)構(gòu)的整體性，抑制了其分層損傷。

圖3-1 彎曲載荷-位移曲線圖

圖3-2 拉伸試樣破壞圖

3.3 II型層間斷裂韌性結(jié)果與分析

分析表3-1中的數(shù)據(jù)可得所有縫合復(fù)合材料試樣的II型層間斷裂韌性都大于無縫合復(fù)合材料試樣的II型層間斷裂韌性；相較于無縫合復(fù)合材料的斷裂韌性，3mm、5mm、7mm行距縫合復(fù)合材料試樣的斷裂韌性分別提高了65.69%、45.19%、19.59%；針距一定時(shí)縫合復(fù)合材料試樣的II型層間斷裂韌性隨著縫合密度的逐漸增大而增大，這歸因于縫線對復(fù)合材料的層間增韌作用。縫合密度越大，單位體積內(nèi)縫線的含量越大，復(fù)合材料層板的層間連接更強(qiáng)，縫合復(fù)合材料層板發(fā)生損傷破壞時(shí)需要吸收的能量更多，縫線對復(fù)合材料層板分層損傷和裂紋擴(kuò)展的抑制作用更明顯。

圖3-3 縫合復(fù)合材料試樣斷面形貌

圖3-4 縫合復(fù)合材料試樣裂紋擴(kuò)展圖

圖3-3是用掃描電鏡觀測到的無縫合復(fù)合材料試樣斷裂面的微觀形貌，可以看到縫合針腳處纖維損傷嚴(yán)重，觀察圖3-4看到層間裂紋擴(kuò)展尖端最終停止在縫線處，說明厚度方向上的縫合雖然會造成復(fù)合材料層板面內(nèi)纖維的損傷，但的確有阻滯裂紋擴(kuò)展、改善層間分層以及提高層間斷裂韌性的作用。

4 結(jié)論

通過測試基于玄武巖纖維增強(qiáng)的無縫以及縫合復(fù)合材料層板的彎曲、拉伸性能和II型層間斷裂韌性，得到以下結(jié)論：

(1)玄武巖纖維增強(qiáng)縫合復(fù)合材料層板的彎曲強(qiáng)度隨縫合密度的逐漸增加先增大后減小，其彎曲模量隨縫合密度的逐漸增加而降低，彎曲強(qiáng)度最大時(shí)縫合密度為6.67針/cm2，彎曲模量最大時(shí)縫合密度為4.76針/cm2。

(2)玄武巖纖維增強(qiáng)縫合復(fù)合材料層板的拉伸強(qiáng)度隨縫合密度的逐漸增加先減小后增大，彎曲模量隨縫合密度的逐漸增加而提高，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最大時(shí)縫合密度11.11針/cm2。

(3)基于玄武巖纖維增強(qiáng)的縫合復(fù)合材料層板的II型層間斷裂韌性大于無縫復(fù)合材料層板的II型層間斷裂韌性，隨著縫合行距的逐漸減小即縫合密度的逐漸增大，復(fù)合材料層板的II型層間斷裂韌性不斷增大。

(4)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，縫合有利于提高復(fù)合材料層板的彎曲性能，但會降低其拉伸性能，縫合提高了復(fù)合材料層板的層間斷裂韌性以及抵抗分層損傷和裂紋擴(kuò)展的能力。

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張旭霞，天津工業(yè)大學(xué)，紡織工程專業(yè)碩士。 楊彩云，天津工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師。

TQ341.5

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1671-1602(2016)24-0033-02