玻纖表面氈改善層合復合材料層間斷裂韌性

傅宏俊，崔雪嬌，趙亞娣，馬崇啟，王　瑞（天津工業大學紡織學院，天津　300387）

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玻纖表面氈改善層合復合材料層間斷裂韌性

傅宏俊，崔雪嬌，趙亞娣，馬崇啟，王瑞
（天津工業大學紡織學院，天津300387）

摘要：采用玻纖表面氈作為增韌劑，添加到復合材料層間構建結構化增韌層，對VARTM成型的玄武巖織物增強環氧樹脂復合材料進行層間增韌改性，并對增韌前后復合材料的Ⅰ型、Ⅱ型層間斷裂韌性及沖擊后剩余壓縮強度進行了測試.結果表明：經玻璃纖維表面氈增韌后，層合復合材料的斷裂韌性GⅠC從27.6 J/m2增加到48 J/m2，GⅡC從87.2 J/m2增加到122.5 J/m2，Ⅰ型、Ⅱ型層間斷裂韌性分別提高了73.9%和40%，材料的沖擊后壓縮強度CAI值從103.75 MPa增加到129.22 MPa，提高了24.5%. SEM圖像表明：低黏度樹脂對玻纖表面氈具有較好的浸透作用，無規排列的玻纖在層間與環氧樹脂形成了非反應誘導相分離的雙連續相結構，獲得了顯著的增韌效果.

關鍵詞：復合材料層合板；玻纖表面氈；層間斷裂韌性；沖擊后壓縮強度

對于層合（壓）復合材料來說，由于層與層之間沒有增強纖維而僅靠基體樹脂進行粘接，因此在載荷尤其是沖擊作用下易發生分層，最終導致整個復合材料構件的破壞[1-3]，即分層是此類材料最基本的損傷斷裂形式.通過層間增韌技術可提高復合材料的韌性及抗沖擊、抗分層能力，是改善復合材料整體性能、增加復合材料壽命及損傷容限的有效途徑[4].迄今為止，已有大量的增韌方法被用于解決分層問題，常用增韌方法包括樹脂原位增韌[5]、層間顆粒增韌[6]、層間縫合技術[7]、層間膠膜增韌[8-10]和納米纖維增韌[11-12]等.

近年來，采用不與基體樹脂發生反應誘導相分離的材料進行層間“結構化”增韌的方法得到了越來越多的重視.張朋等[13]采用尼龍無紡布作為增韌層對復合材料進行了層間改性，研究表明，高孔隙率熱塑性纖維集合體與基體樹脂所形成的結構化增韌層對復合材料具有顯著的層間增韌效果.孫直等[14-15]采用芳綸短纖維膜作為增韌界面，對碳纖維-泡沫鋁夾芯復合材料進行了研究，證明通過短纖維的橋聯作用可提高夾芯梁的界面臨界能量釋放率，界面增韌效果顯著.上述研究表明，采用熱塑性短纖維集合體進行層間增韌界面層的構建是復合材料層間增韌的有效途徑，有望克服傳統通過反應誘導相分離形成增韌層過程中在成本及反應過程控制方面的所受到的局限.

玻纖表面氈在復合材料工程中被廣泛使用，用以獲得具有光潔、耐磨、耐腐蝕、掩蓋紋理等特性的復合材料表面層.顯然，表面氈本身所具有的短纖維雜亂取向結構，以及其在樹脂滲透性、與樹脂間的相容性等方面的優勢，使得將其用作層間增韌層有望取得較好的增韌效果，這方面的深入研究目前尚不多見.魏浩等[16]將玻纖表面氈置于玻纖方格布層間，對不飽和聚酯樹脂基復合材料的壓剪、三點彎曲以及拉伸等宏觀力學性能進行了試驗研究，證明玻纖短纖維的橋聯作用能夠提高結構的失效能耗，實現層間增韌效果.

本文采用玻纖表面氈對VARTM成型的玄武巖織物增強復合材料進行層間增韌研究.玻纖與玄武巖纖維同屬于硅酸鹽類纖維，結構與組成相似，具有較好的相容性，因此，將玻纖表面氈添加在復合材料層間作為結構化增韌層，對改性后的玄武巖/環氧樹脂復合材料的Ⅰ型、Ⅱ型層間斷裂韌性及沖擊后剩余壓縮強度等進行測試與分析研究.

1　實驗部分

1.1實驗材料

MT-8101型國產玄武巖纖維平紋織物，桐鄉蒙泰增強復合材料有限公司生產；玻纖表面氈，市售產品，面密度30 g/m2；樹脂基體為低粘度環氧樹脂及固化劑，江蘇昆山綠循電子材料有限公司提供.

1.2復合材料制備

以玄武巖織物作為增強體，具體鋪層方式見表1.在第9層與第10層之間嵌入玻纖表面氈，其中，斷裂韌性測試樣制備時需在其一側鋪放聚四氟乙烯薄膜以預留一定寬度的初始分層裂紋；采用VARTM工藝成型固化得到一定厚度和纖維體積分數為55%的層合復合材料.

表1　復合材料鋪層方式Tab.1 Ply sequence of composite

1.3性能測試

（1）按照HB 7402-96、HB 7403-96中的規定，將所制備的復合材料層合板切割成尺寸為180 mm× 25 mm×3 mm的Ⅰ型試樣和140 mm×25 mm×3 mm的Ⅱ型試樣，在Instron 3369型萬能材料試驗機上進行實驗.

（2）按照GB/T 21239-2007中復合材料沖擊后壓縮強度測試的規定，將其切割成尺寸為150 mm× 100 mm×4mm的試樣，在AG-250KN萬能試驗機上進行壓縮實驗.

（3）采用TM-1000型臺式掃描電子顯微鏡（日立高新技術公司）對玻纖表面氈進行微觀結構觀察，并對Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌性測試后試樣的斷裂面進行觀察，分析增韌機理.

2　結果與討論

2.1玻纖表面氈微觀結構

本文所選用的玻纖表面氈微觀結構如圖1所示.由圖1可以看出，纖維分散均勻，纖維直徑約為9.5μm，纖維表面比較平整，并相互交疊以無序的狀態分布，纖維之間保持著較大的空隙.這種高孔隙率的微觀結構可以保證VARTM工藝過程中樹脂基體對層間增韌層的充分浸潤. 2

圖1　玻纖表面氈微觀結構Fig.1 Microstructure of glass fiber surface mat

.2Ⅰ型斷裂韌性分析

圖2為增韌前后層合板I型斷裂韌性（GIC）測試的載荷-位移曲線.圖2中每個三角形代表一次加載過程，有無引入表面氈的復合材料層合板GIC結果對比見表2.從圖2可以發現，玻纖表面氈增韌復合材料的初始開裂載荷和最終位移明顯大于未增韌復合材料；同時從表2中也可以明顯看到，未增韌試樣的GIC值為27.6 J/m2，純玻纖表面氈增韌的GIC值為48 J/m2，提高了73.9%，表現出明顯的增韌效果.

圖3所示為增韌前后復合材料層合板的GIC試樣斷裂面SEM照片.由圖3（a）可以看出，未增韌的試樣張開斷面的裂紋擴展從左到右非常地連貫和平滑，并且是穩定的幾乎沒有任何的震蕩，這種形貌是典型的脆性破壞.由圖3（a）還可以看到，斷裂面的斷裂情況大致可以分為3種，即樹脂的斷裂、纖維的斷裂以及樹脂和纖維界面間的斷裂，所以在圖中可以明顯地看到增強纖維即玄武巖纖維已經裸露在斷面表面與樹脂發生脫粘的現象.由圖2載荷-位移曲線中可以看到，裂紋在較低的載荷下一經引發即迅速擴展，同時每一次的加載過程中相對于加載點的位移雖說在增加，但是增加的范圍都不是很大.在進行Ⅰ型斷裂韌性實驗的時候，也可以明顯地聽到一聲清脆的裂紋擴展的聲音，因此整體的GIC值較低.

圖2　復合材料GⅠC測試的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curve of composite during mode I test

表2　復合材料層間斷裂韌性值對比Tab.2 Interlaminar fracture toughness results J/m2

由圖3（b）可以看到，由于低粘度樹脂對較疏松玻纖集合體較好的浸透，同時又因為玻纖與樹脂基體間不會發生反應誘導相分離，因此在斷裂面中，玻纖便面氈仍然保持著其無序網絡分布結構，同時由于其空隙的存在以及良好的浸潤性，使得樹脂充分地將表面氈與增強體結合起來，這樣當在Ⅰ型張開型載荷的作用下，有的玻纖從基體中被拔出，有的玻纖發生了斷裂.同時斷裂表面變得不再穩定連續，而是粗糙零散的，但又可以看出很大一部分玻纖被樹脂包裹著，這同時也說明了玻璃纖維與樹脂之間良好地結合性.當然在載荷-位移曲線中也可以明顯的看到復合材料層合板的初始開裂載荷和最終位移都明顯大于未增韌層合板，同時在進行Ⅰ型斷裂韌性實驗過程中，發出穩定連續開裂的聲音.這也進一步說明并證明了加入玻纖表面氈作為增韌層，經過一系列復雜作用，裂紋的開裂能量被消耗掉，因此便明顯地提高了復合材料層合板的層間韌性值.

圖3　I型斷裂面SEM照片Fig.3 Morphologies of fracture surface of composite after GⅠCtesting

2.3Ⅱ型斷裂韌性分析

圖4為復合材料GⅡC測試的載荷-位移曲線.由圖4可見，對于未增韌體系，臨界開裂點載荷所對應的加載點撓度僅有10 mm左右，同時在實驗的過程中裂紋的擴展是連續平穩的，表明裂紋一旦引發，在層間的擴展非常迅速，然而，添加純玻纖表面氈的試樣的載荷-位移曲線中加載點撓度達到15 mm左右，說明層間韌性有所提高.對于采用玻纖表面氈增韌后的復合材料層合板的GⅡC從87.2 J/m2提高到122.5 J/m2（見表2），提高了40%.該提高取決于層間纖維在裂紋擴展過程中也同樣伴隨著從樹脂基體中的拔出和斷裂，這個過程實際上就是通過吸收部分能量而得來的.

圖4　復合材料GⅡC測試的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve of composite during mode II test

圖5所示為增韌前后復合材料層合板的GIIC試樣斷裂面的SEM照片.

圖5　II型斷裂面SEM照片Fig.5 Morphologies of fracture surface of composite after GⅠICtesting

由圖5（a）可以看出，未增韌的試樣張開斷面的裂紋擴展與I型張開型裂紋擴展路徑和情況基本相同，都變現出了典型的脆性破壞或者說是“梳形”破壞.裂紋從左到右非常地連貫和平滑，并且是穩定的幾乎沒有任何的震蕩.同時，回顧在載荷-撓度曲線中可以看到裂紋在較低的載荷下一經引發即迅速擴展，因此整體的GIIC值較低.

由圖5（b）可知，作為發生非反應誘導相分離的增韌材料，添加玻纖表面氈的層間斷裂裂紋呈現出夾雜著玻璃短纖維在內的一些波紋狀的裂紋，起伏不定，在斷裂面內沒有看到增強纖維暴露在外面而是仍然保持著與樹脂基體牢牢結合的狀態，同時，樹脂在層間固化的過程中粘結在了玻璃纖維表面，或者是在整個工藝過程中在環氧樹脂基體圍繞的環境中發生了輕微的溶脹，或者溶解導致單根玻璃短纖維直徑略微有所增加，并使得層間界面由“玄武巖纖維-環氧樹脂-玄武巖纖維”變為“玄武巖纖維-粘結上樹脂的玻璃纖維-玄武巖纖維”的狀態，這樣無形中增加了層間界面的結合力，有效地阻止了復合材料受到的Ⅱ型高剪切應力的作用，同時，玻璃纖維從基體中的拔出、斷裂變形也吸收了大量的能量，從而大幅度提高了Ⅱ型層間斷裂韌性.

2.4沖擊后壓縮性能分析

圖6所示為復合材料壓縮破壞后外觀圖.

圖6　復合材料壓縮破壞后外觀圖Fig.6 Outside view of composites after compression failure

從圖6（a）、（b）未增韌復合材料沖擊后壓縮破壞正反面外觀圖看出，其主要損傷部位在中心點，并沿損傷處發生了橫向裂紋擴展，失效面積較大；玻纖表面氈增韌復合材料沖擊后壓縮破壞正反面外觀圖6 （c）、（d）中，主要損傷部位接近中心點，同樣發生橫向裂紋失效，但其失效面積集中在試樣中心，相對較小.

復合材料沖擊后損傷區域面積（通過計算沖擊后試樣背面十字區域所形成的菱形面積而得）和CAI值對比見表3.

表3　復合材料沖擊后損傷區域面積（背面）和CAI值Tab.3 Damage area（back）and CAI of composites

復合材料損傷區域面積從414 mm2降低到289 mm2，降低了30.2%；增韌后剩余壓縮強度CAI值增加到129.22 MPa，增加率為24.5%.由于復合材料在受到壓縮破壞時，會產生層間開裂，其開裂的程度取決于層間材料纖維與環氧樹脂基體之間的粘合能力；玻纖表面氈增韌后，壓縮破壞過程中同時產生了層間玻璃短纖維的斷裂，吸收沖擊能量，從而減小損傷面積，改善復合材料沖擊后壓縮強度.

3　結論

（1）引入玻纖表面氈作為增韌材料后的玄武巖/環氧樹脂復合材料的層間韌性明顯提高，其Ⅰ型、Ⅱ型層間斷裂韌性分別提高了73.9%和40%，沖擊后壓縮強度提高了24.5%；

（2）層間玻璃短纖維與環氧樹脂構成了非反應誘導相分離的雙連續結構，同時，玻璃纖維從基體中的拔出、斷裂變形所吸收的能量，有效阻止了裂紋擴展；

（3）低粘度樹脂對玻纖表面氈具有較好的浸透，層間引入玻纖氈對層合復合材料有較顯著的層間增韌效果.

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Fracture toughness of FRP surfacing fiber glass mat toughening composite laminate

FU Hong-jun，CUI Xue-jiao，ZHAO Ya-di，MA Chong-qi，WANG Rui
（School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：Using glass fiber surface mat as toughening agent to form a new type of structural toughening layer and interlaminar toughening modification of composite was fabricated via VARTM process. The modeⅠ，Ⅱinterlaminar fracture toughness and compression after impact are investigated. The results show that the FRP surfacing fiber glass mat serving as reinforcing materials is used for a structured toughening layer，the mode-Ⅰinitial energy release rate is from 27.6 J/m2to 48 J/m2，the mode-Ⅱinitial energy release rate is from 87.2 J/m2to 122.5 J/m2. Mode-Ⅰfracture toughness（GⅠC）and mode-Ⅱfracture toughness（GⅡC）of the composites are increased by 73.9% and 40%，respectively . The CAI of the composite with the FRP surfacing fiber glass mat is from 103.75 MPa to 129.22 MPa，increasing by 24.5%. The SEM indicates that low viscosity resin has a good soke to FRP. The FRP surfacing fiber glass mat formed a unreactional co-continuous structure，which gains significant toughening effect.

Key words：composite laminate；FRP surfacing fiber glass mat；interlaminar fracture toughness；compression after impact

通信作者：傅宏俊（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向為紡織復合材料. E-mail：fuhongjun@tjpu.edu.cn

收稿日期：2015-12-20基金項目：國家自然科學基金資助項目（51003075）

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.003

中圖分類號：TS101.2；TB332

文獻標志碼：A

文章編號：1671－024X（2016）02－0013－05