玄武巖纖維增強縫合復合材料力學性能研究

張旭霞，楊彩云

(天津工業大學紡織學院，天津 300387)

玄武巖纖維增強縫合復合材料力學性能研究

張旭霞，楊彩云

(天津工業大學紡織學院，天津 300387)

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

1 引言

紡織纖維增強樹脂基復合材料因輕質、高強、低成本等特點應用十分廣泛，但是一般的復合材料層合結構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]?？p合技術作為一種行之有效的層間連接技術，雖然會不可避免地造成復合材料面內纖維的損傷，但是能夠改善傳統復合材料層板易分層的缺陷，提高復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材料，結合縫合技術和樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝制備產品性能可靠、對環境污染少的玄武巖纖維增強復合材料層板，對比相同厚度和纖維體積含量的無縫復合材料層板，研究縫合工藝對復合材料力學性能的影響，可以預測基于玄武巖纖維的縫合復合材料層板在實際應用中的許用強度，有助于改進縫合復合材料結構設計和拓展復合材料的應用范圍。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與設備

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

儀器設備:家用縫紉機，型號為ZYW-kxdx2-380V9KW的RTM復合設備。

2.2 復合材料層板制備

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，干態條件下采用鎖式縫合方式縫紉玄武巖織物預成型體,然后采用RTM工藝復合制備厚度為3mm的復合材料層板，其中纖維體積含量為46±1%。

2.3 力學性能測試

彎曲性能測試參照國標 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《塑料及纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，采用啞鈴狀，其中，試樣總長L 為 120mm，標距 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 HB 7403-1996，矩形試樣的尺寸：長(l)×寬(b)×厚(h)為140×25×3mm3，預制裂紋長度為 4cm，厚度為0.5mm。

上述力學性能測試都在INSTRON 萬能強力機進行。

3 實驗結果與討論

通過計算所得復合材料層板各項力學性能見表3-1。

表3-1 復合材料層板力學性能數據

3.1 彎曲性能結果與分析

分析表3-1可得縫合復合材料層板的彎曲強度均大于無縫層板的彎曲強度，隨著縫合行距的逐漸增大，縫合密度的逐漸減小，縫合復合材料層板的彎曲強度先增大后減??；相較于無縫合復合材料層板，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，7mm次之，3mm最弱，說明彎曲加載時縫線引起的層間強度增加強于縫針穿刺導致的面內強度損失，從而使得縫合有利于復合材料層板的彎曲性能。

3.2 拉伸性能結果與分析

分析表3-1可得縫合復合材料層板的拉伸強度均小于無縫層板的拉伸強度；較之無縫復合材料層板，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，縫合復合材料層板的拉伸強度先減小后增大，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合材料層板比縫合復合材料層板分層明顯且破壞嚴重，無縫層板上下層發生斷裂，且斷裂處出現大量長毛刺，縫合層板上下表面有少許纖維抽拔和斷裂。這是因為縫合改變了復合材料的拉伸破壞形式，縫合復合材料層板經受拉伸載荷失效時，會發生環氧樹脂基體的開裂、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構的整體性，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型層間斷裂韌性結果與分析

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

圖3-3 縫合復合材料試樣斷面形貌

圖3-4 縫合復合材料試樣裂紋擴展圖

圖3-3是用掃描電鏡觀測到的無縫合復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重，觀察圖3-4看到層間裂紋擴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合材料層板面內纖維的損傷，但的確有阻滯裂紋擴展、改善層間分層以及提高層間斷裂韌性的作用。

4 結論

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

(1)玄武巖纖維增強縫合復合材料層板的彎曲強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，彎曲強度最大時縫合密度為6.67針/cm2，彎曲模量最大時縫合密度為4.76針/cm2。

(2)玄武巖纖維增強縫合復合材料層板的拉伸強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，拉伸強度和拉伸模量最大時縫合密度11.11針/cm2。

(3)基于玄武巖纖維增強的縫合復合材料層板的II型層間斷裂韌性大于無縫復合材料層板的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，復合材料層板的II型層間斷裂韌性不斷增大。

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

[1] 艾濤,王汝敏.Kevlar縫合復合材料研究進展[J].材料導報,2005,01:64-67.

[2] 談昆倫,劉黎明,劉千等.縫合對復合材料力學性能的影響[J].江蘇紡織,2012,S1:32-34+40.

[3] 尹昌平,李建偉,劉鈞等.縫合/RTM復合材料層合板的力學性能研究[J].材料導報,2007,11:136-138.

[4] 嚴柳芳,陳南梁,羅永康.縫合技術在復合材料上的應用及發展[J].產業用紡織品,2007,02:1-5.

[5] 于倩倩,陳剛,鄭志才.縫合技術在復合材料上的應用及研究進展[J].工程塑料應用,2009,05:85-88.

[6] 程小全,酈正能,趙龍.縫合復合材料的應用與力學性能[J].高分子材料科學與工程,2009,03:145-149.

[7] 王春敏.三維縫合復合材料力學性能的研究進展[J].材料導報,2010,S1:204-206.

張旭霞，天津工業大學，紡織工程專業碩士。 楊彩云，天津工業大學教授，碩士生導師。

TQ341.5

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1671-1602(2016)24-0033-02