國產(chǎn)芳綸纖維增強環(huán)氧復合材料的壓縮性能

鐘翔嶼，包建文，張代軍，張連旺

(先進復合材料重點實驗室，北京航空材料研究院，中航工業(yè)復合材料技術(shù)中心，中航復合材料有限責任公司，北京 100095)

國產(chǎn)芳綸纖維增強環(huán)氧復合材料的壓縮性能

鐘翔嶼，包建文，張代軍，張連旺

(先進復合材料重點實驗室，北京航空材料研究院，中航工業(yè)復合材料技術(shù)中心，中航復合材料有限責任公司，北京 100095)

采用不同彈性模量的環(huán)氧樹脂基體與國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維制備了復合材料，研究了復合材料壓縮性能及其影響因素，分析了環(huán)氧樹脂模量、芳綸纖維束張力、壓縮測試方法等因素對復合材料壓縮強度測試結(jié)果的影響規(guī)律。研究表明，環(huán)氧模量、纖維束張力的提高有利于壓縮強度的提高，正交鋪層的壓縮測試方法有利于表征復合材料壓縮本征性能。同時，探討了芳綸纖維壓縮失效的機理，提出了提高芳綸纖維復合材料壓縮性能可能的途徑。

芳綸；環(huán)氧；壓縮強度

0 引言

芳綸纖維是聚芳酰胺纖維的一類總稱，對位芳綸分子結(jié)構(gòu)上的酰胺基團與苯環(huán)形成共軛效應(yīng)，內(nèi)旋位能高，分子鏈節(jié)呈平面剛性伸直鏈，分子對稱性高，定向程度和結(jié)晶度高。因此，芳綸纖維具有高拉伸強度和拉伸模量、低密度、優(yōu)良吸能性和減震、耐磨、耐沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)異的力學和動態(tài)性能[1-3]。芳綸纖維早期用于承載較為單一的結(jié)構(gòu)材料，而后逐漸為碳纖維所替代，而芳綸纖維轉(zhuǎn)向主要用于防彈、透波等功能材料領(lǐng)域，這主要是由于芳綸纖維作為結(jié)構(gòu)復合材料，尤其是航空航天結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有明顯的弱點造成的。其中，最突出的是壓縮強度偏低和與樹脂基體界面性能差，國內(nèi)外對芳綸纖維及其復合材料的改進也主要集中在界面研究優(yōu)化[4-5]。芳綸纖維增強復合材料難以在承受壓縮載荷較大的場合應(yīng)用，雖然芳綸纖維復合材料在拉伸強度具有比強度較高的優(yōu)勢，可在壓力容器制造領(lǐng)域具有優(yōu)勢，但壓縮性能和界面差的劣勢仍限制了芳綸纖維的應(yīng)用，為擴展芳綸纖維復合材料應(yīng)用范圍，提升其壓縮強度和層間剪切強度是重要的途徑[6-8]。

隨著復合材料的結(jié)構(gòu)/功能一體化的趨勢，對芳綸提出了更高的要求，國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維正是針對該需求開發(fā)的新一代芳綸纖維，具有更高的模量和強度，同時具有良好的吸濕性能[9-13]。

本文采用國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維及環(huán)氧樹脂，從樹脂模量、纖維束張力及測試方法等方面來分析芳綸Ⅲ增強環(huán)氧復合材料壓縮強度的影響因素。

1 實驗

1.1 原材料

F358芳綸纖維：800 tex/14 μm，無捻，中藍晨光化工研究院；E54環(huán)氧：藍星化工廠；S-500M環(huán)氧：南通新納希新材料有限公司，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示；二氨基二苯砜(DDS)：蘇州寅生化工公司；PEK-C：徐州航材工程塑料廠，特性粘度：0.72。

1.2 樹脂配制過程

1.2.1 環(huán)氧樹脂基體制備

將E54環(huán)氧和S-500M環(huán)氧按表1所示的比例混合，升溫至80～100 ℃范圍內(nèi)加入PEK-C，升溫至140 ℃左右攪拌使PEK-C完全溶解于環(huán)氧，再將樹脂升溫至170 ℃左右，加入DDS，并持續(xù)攪拌，冷卻后取出快速冷卻至室溫，待用。

表1 樹脂配制比例

1.2.2 預浸料制備

將所配制的樹脂基體置于60～70 ℃烘箱預熱約30 min，在膠膜機上刮制適當面密度的樹脂膜，刮膜溫度控制在(70±5)℃；而后在預浸機上完成預浸料的制備，按表2所示調(diào)節(jié)紗架上芳綸纖維束的張力(表2中X=0、50、100)，為去除水分，芳綸纖維采用預浸在線烘干方式，烘干工藝為24～26 ℃/min；預浸工藝：100～120 ℃，2 m/min。

1.2.3 試樣制備及測試

預浸料的鋪層按測試標準分為[0]16和[90/0]4S進行，樹脂及預浸料的固化工藝均為180 ℃×3 h，樹脂澆注體力學性能測試按GB/T 2567—2008標準；[0]16鋪層的復合材料壓縮測試按ASTM D 6641/D 6641M-01標準測試，[90/0]4S鋪層的復合材料壓縮測試按SACMA SRM 6—94方法進行。

為降低纖維體積含量差異帶來的影響，所有復合材料試樣的壓縮強度測試結(jié)果均按名義纖維體積含量(Vf=60%)進行歸一化處理。

表2 預浸料制備參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 環(huán)氧樹脂基體力學性能

環(huán)氧樹脂基體力學性能測試結(jié)果見表3。從表3可看出，E-54為雙官能環(huán)氧，S-500M為多官能環(huán)氧，如按照等當量固化劑含量固化，多官能環(huán)氧樹脂體系的交聯(lián)點增多，交聯(lián)密度提高，樹脂模量明顯提高。隨著多官能團環(huán)氧比例提高，環(huán)氧樹脂基體的拉伸和壓縮強度提高不明顯，而模量提高較大，相應(yīng)的斷裂伸長率也具有明顯的下降趨勢，樹脂基體表現(xiàn)得更為剛硬。

樹脂基體壓縮模量測試結(jié)果如圖2所示，純E-54固化樹脂壓縮模量為3.09 GPa，而純S-500M固化樹脂的壓縮模量為4.65 GPa，提高了近50%。由于樹脂基體都為芳香胺類固化環(huán)氧樹脂體系，其化學反應(yīng)特性基本相同。該系列環(huán)氧樹脂與相同的增強纖維復合，復合材料的界面粘結(jié)性能的差異不大。按照復合材料細觀力學理論推導的結(jié)果[14]，在界面結(jié)合力差異不大的前提下，樹脂壓縮模量的提高可加強樹脂基體對增強纖維的支撐，理論上有利于復合材料壓縮強度的提高；而樹脂本身的模量較纖維低很多，復合材料壓縮模量主要由纖維模量和纖維體積含量決定，差異很小。因此，本文主要討論復合材料壓縮強度的結(jié)果。

2.2 纖維束張力對壓縮強度的影響

理論上，增強纖維的伸直狀態(tài)對于壓縮性能的提高應(yīng)有一定的影響，而樹脂與增強纖維在預浸復合過程中對纖維束施加的張力應(yīng)有利于纖維的準直度提高，尤其對于存在蠕變性的有機纖維而言，對纖維束施加預浸工藝所允許的適當張力利于纖維的伸直，對纖維在預浸復合過程中纖維束的伸直的影響更大。而預浸復合后，環(huán)氧樹脂基體在常溫下的高粘性也可對處于伸直狀態(tài)的纖維暫時“鎖定”，在后續(xù)的鋪層和固化過程中更有利于保持纖維束的伸直，理論而言，這應(yīng)有利于復合材料壓縮強度的提高，如圖3所示。適當?shù)膹埩赡苡欣诒３肿杂蔂顟B(tài)的增強纖維沿著纖維方向伸展平直，可有效提高纖維的準直度。

當然，預浸過程中只能是施加對纖維束宏觀的張力，對分配到每根纖維上的張力卻不一定均勻。實際上這也會影響到最終復合材料抗壓能力的發(fā)揮。如果希望提高單根纖維的伸直度，最有效的方法是在芳綸纖維制備過程中進行相應(yīng)的張力精確控制，以提高細觀上單根芳綸纖維和宏觀上芳綸纖維束的伸直效果。

圖4為不同模量的環(huán)氧樹脂基體與芳綸纖維復合時，對纖維束施加張力對復合材料壓縮強度的影響結(jié)果。圖4(a)為采用0°單向板直接測試得到的復合材料0°壓縮強度，圖4(b)所示為采用[90/0]正交鋪層板測試計算得到復合材料0°壓縮強度。

從圖4(a)來看，對于0°單向試樣，施加張力對壓縮強度幾乎無影響；而對于[90/0]正交鋪層的試樣，隨環(huán)氧樹脂基體模量的提高，張力對復合材料壓縮強度的影響程度明顯提高，從EP0的0%提高至EP100的約12%。

對于0°單向試樣，由于纖維都為縱向排列，在承受壓縮載荷時，因芳綸化學結(jié)構(gòu)的原因，側(cè)向結(jié)合力較弱。因此，纖維容易在微觀上提前發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞，在承受較高壓縮載荷下，復合材料容易出現(xiàn)側(cè)向的劈裂，從而導致試樣在壓縮破壞出現(xiàn)前提前發(fā)生了微觀失效，失去承載能力。即使在較高張力下，纖維的準直度有所提高，但這種縱向的壓縮失穩(wěn)也會提前，從而導致0°單向試樣的壓縮性能提高并不明顯，且樹脂模量與纖維模量相比相差較大。對于芳綸這類易于發(fā)生原纖化的增強纖維，即使樹脂基體模量提高，一旦纖維的局部屈曲或原纖化發(fā)生，僅靠樹脂也很難對芳綸纖維產(chǎn)生足夠的支撐作用，使其發(fā)生足夠的延遲。因此，壓縮強度的提高并不明顯。

對于[90/0]正交鋪層的試樣，隨樹脂模量的提高，張力對復合材料壓縮強度的影響逐漸增強。由于[90/0]正交鋪層試樣的每一層0°方向排列的芳綸纖維都有相鄰的2層90°方向排列的纖維支撐，在承受壓縮載荷時，0°方向的纖維相對更難于發(fā)生細觀上的提前屈曲破壞，樹脂和芳綸纖維共同對0°方向纖維的支撐作用要比僅靠樹脂支撐的0°單向試樣在細觀上更為有效，隨樹脂模量的提高，復合材料壓縮強度提高的程度逐漸增強。因此，張力對纖維準直度的提高，從而對復合材料壓縮強度提高的貢獻更容易體現(xiàn)，也可認為在[90/0]正交鋪層方式下，由于存在橫向鋪層纖維和樹脂共同的支撐作用，隨著樹脂模量的提高，縱向鋪層芳綸纖維的原纖化程度相對受到了更強的抑制，在該前提下，復合材料壓縮強度對張力的影響表現(xiàn)得更為敏感。

實際上，[90/0]正交鋪層的試樣可更為充分地表達復合材料的壓縮性能[15]，這對于容易出現(xiàn)微觀屈曲失穩(wěn)破壞的復合材料的壓縮性能表征更為準確。芳綸纖維由于自身的結(jié)構(gòu)特點，沿纖維側(cè)向的分子結(jié)合力很低，受此影響，芳綸纖維在外力作用下極易出現(xiàn)原纖化，易于出現(xiàn)局部屈曲失穩(wěn)破壞，而在[90/0]正交鋪層中，層間的90°方向排列的芳綸纖維層和樹脂基體對0°方向的芳綸纖維層的原纖化實際上進行了一定細觀上的抑制，同時也減弱了試樣在大載荷下的提前縱向劈裂破壞的趨勢，試樣的破壞失效模式更為合理。因此，可更合理準確地反映芳綸纖維復合材料的本征壓縮性能。且復合材料在實際使用時，一般具有典型的鋪層結(jié)構(gòu)，具有一定的交叉鋪層結(jié)構(gòu)，這與[90/0]正交鋪層更為接近。

2.3 樹脂基體模量對壓縮強度的影響

理論上樹脂基體模量的增加可提高復合材料的壓縮承載能力，圖5所示的是環(huán)氧樹脂基體模量對芳綸纖維復合材料壓縮強度的影響。

從圖5可看出，在纖維束無張力的情況下，無論是0°單向鋪層試樣，還是[90/0]正交鋪層試樣，壓縮強度的變化都不明顯，這也是由于在無張力情況下，芳綸纖維的準直度相對低一些，在此狀態(tài)下，雖然樹脂模量的提高可增加一些對芳綸纖維的支撐作用，但在承受接近破壞壓縮載荷時，由于纖維的局部準直度低，復合材料趨于出現(xiàn)細觀上的提前屈曲失穩(wěn)破壞，且一旦發(fā)生纖維的屈曲失穩(wěn)破壞，樹脂模量的提高也是難以阻擋復合材料快速失效破壞的。因此，樹脂基體模量的提高對壓縮強度提升的效果難以體現(xiàn)。而在對纖維束施加張力情況下，纖維的準直度有所提升，樹脂模量的提高對復合材料壓縮強度的影響有些差異：對于0°單向鋪層試樣，雖然樹脂模量提升，但由于測試方法原因，壓縮試樣仍趨于在高壓縮載荷情況下局部屈曲失穩(wěn)破壞，提高幅度相對較??；而對于[90/0]正交鋪層試樣，由于90°方向芳綸纖維和樹脂的共同限制，0°方向排列的纖維相對更不易出現(xiàn)提前局部屈曲失穩(wěn)破壞，因此，基體模量的提高對纖維支撐效果對壓縮強度的貢獻就能在較大程度上顯現(xiàn)出來，測試的復合材料壓縮強度具有明顯的提升。從圖5還可看出，同時采用提高樹脂模量、纖維張力和改善測試方法后，芳綸復合材料的壓縮強度從274 MPa提高至344 MPa，提升了近25%，效果較為明顯。

綜上分析可知，提高芳綸纖維環(huán)氧復合材料的壓縮強度，其根本途徑是提高纖維、界面、樹脂基體三者在壓縮載荷下的壓縮穩(wěn)定性，可采取以下可能的途徑：

(1)提高環(huán)氧樹脂基體本體的彈性模量和樹脂與芳綸纖維的界面結(jié)合力，提高樹脂基體及界面對芳綸纖維本體在壓縮載荷下的側(cè)向扶持力，從而提高復合材料的壓縮強度；

(2)在芳綸纖維制造過程或預浸過程中，采取措施提高芳綸纖維的準直度，有利于減少或消除芳綸纖維由于準直度問題在壓縮載荷下的提前失穩(wěn)破壞，從而提高復合材料壓縮強度；

(3)對芳綸纖維改性，提高纖維本體的側(cè)向相互作用力，可降低芳綸纖維在外力作用尤其是壓縮和剪切載荷下的原纖化程度，有望大幅度提高芳綸纖維復合材料的壓縮性能。

3 結(jié)論

(1)在預浸過程中，對芳綸纖維束施加張力有利于提升芳綸纖維在復合材料中的準直度，提高了復合材料的壓縮強度，這種影響在樹脂模量較大且采用正交鋪層的條件下表現(xiàn)更為明顯；

(2)環(huán)氧樹脂基體模量的提高，有利于樹脂對于芳綸纖維的支撐作用，基體模量的提升對壓縮強度的貢獻，也在正交鋪層且對纖維束施加張力的條件下提高幅度較大；

(3)采用正交鋪層測試芳綸復合材料的壓縮強度更為合理，可降低在較高壓縮載荷下纖維提前發(fā)生微觀屈曲失穩(wěn)的破壞，更有利于準確表征芳綸復合材料的本征壓縮性能；

(4)同時采用提高環(huán)氧樹脂模量、提高芳綸纖維束張力和正交鋪層試驗方法，芳綸Ⅲ增強環(huán)氧復合材料的壓縮強度提高了近25%。

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(編輯：劉紅利)

Compression performance of epoxy matrix composite reinforced by domestic aramid fiber

ZHONG Xiang-yu，BAO Jian-wen，ZHANG Dai-jun，ZHANG Lian-wang

(Science and Technology on Advanced Composites Laboratory，BIAM，AVIC Composite Center，AVIC Composite Corporation LTD，Beijing 100095，China)

The compression performance of composite reinforced by domestic aramid(Fanglun III) fiber based by epoxy matric with different elastic modulus was studied. The effects of modulus of matrix, tension of tow, test methods of compression on compression performance of composite were investigated. The results show the compression strength of composites could be improved with the increasing of modulus of epoxy matrix and tow tension. The samples of orthogonal ply show the higher intrinsic compression strength of aramid composite than unidirectional ply. The failure mechanism on compression was discussed and the methods of increasing compression performance of aramid composite were recommended.

aramid；epoxy；compression strength

2016-09-06；

2016-11-07。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2015AA03A204)。

鐘翔嶼(1976—)，男，高級工程師，主要從事先進樹脂基復合材料研究。E-mail:13611248834@139.com

V258

A

1006-2793(2017)02-0244-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.02.020