玄武巖纖維多軸向經編增強復合材料力學性能研究

王朋勃，朱文斗，胡曉娜，曹雪飛

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院,內蒙古 呼和浩特 010080)

與傳統材料相比，纖維增強聚合物復合材料(FRP)具有優異的耐腐蝕性能和較高的比強度與比模量[1-3]，近年來被廣泛應用于橋梁等重要基礎設施的加固與增強[4-7]。結合玄武巖纖維的特點，用環氧樹脂制備玄武巖纖維復合材料，其性能遠高于鋼材，且成本低于其他纖維和鋼材，直接提高了工件的穩定性耐用性和經濟效益[8-9]。

本文以玄武巖纖維單軸向、雙軸向、四軸向經編織物為增強體，環氧樹脂為基體，通過VARTM工藝實現復合材料成型。測試復合材料的拉伸性能和彎曲性能，對比研究三種軸向經編復合材料沿不同軸向的力學性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與工藝

(1)成型工藝：采用VARTM工藝成型多軸向經編復合材料，利用真空負壓原理將樹脂浸潤織物，固化成型。

(2)基體：選用上緯(天津)風電材料有限公司生產的E-2511環氧樹脂。2511-1A環氧樹脂與2511-1BT固化劑質量比為100∶ 30。

(3)增強體：選用單軸向、雙軸向、四軸向經編布，其中單軸向布為90°方向，實驗原材料為玄武巖纖維無堿無捻粗紗，具有良好的機械性能。玄武巖纖維的性能參數如表1，三種玄武巖經編布增強體參數如表2所示，實物圖見圖1。

表1 玄武巖纖維性能參數

表2 玄武巖經編布增強體參數

圖1 增強體實物

1.2 試樣制備

分別用4層單軸向經編玄武巖纖維織物(同向鋪放)、2層雙軸向經編玄武巖纖維織物( 同向鋪放) 和1層四軸向經編玄武巖纖維織物，在真空度為-0.095 MPa 且保壓效果良好時進行基體灌注，灌注完成后在常溫下固化48 h，得到三種復合材料試樣。

1.3 拉伸試驗

拉伸實驗參照GB/T1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》、GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，沿0°和90°方向制備250mm×25mm的試樣。分別對雙軸向、四軸向經編復合材料試樣進行拉伸性能測試，由于單軸向經編織物特殊的結構形態導致沿0°方向不具備研究價值，所以僅研究90°方向。實驗儀器使用的是WDW-100KN型微機控制電子萬能試驗機，將拉伸試樣沿試樣軸向勻速施加靜態拉伸載荷，加載速度為2mm/min，直至試樣斷裂。根據拉伸載荷-位移數據繪制應力-應變曲線，進而可以確定材料的拉伸強度和彈性模量。

1.4 彎曲試驗

彎曲實驗參照GB/T2567-1995、GB/T2570-2005以及GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，采用三點加載簡易支梁法進行，在0°和90°方向制得130mm×15mm的試樣。實驗儀器使用的是WDW-100KN型微機控制電子萬能試驗機，加載速度為1mm/min,直至試樣破壞或達到預定撓度。根據彎曲載荷-位移數據繪制彎曲應力-撓度曲線，進而可以確定材料的彎曲強度、彈性模量。

實驗采用無約束支撐，通過三點彎曲，實驗示意如圖1所示，在實驗中試樣下表面受到拉伸，上表面則受到壓縮。

圖2 三點彎曲示意圖

2 實驗結果與分析

2.1 拉伸性能

表3 拉伸性能參數

圖3 試樣0°方向拉伸應力-應變曲線

如表3所示，復合材料拉伸測試數據得出拉伸強度、模量的大小關系為沿0°方向雙軸向的拉伸強度比四軸向高28.13%，沿90°方向單軸向拉伸強度比雙軸向高22.94%，比四軸向高58.64%。如圖3、圖4所示，少軸向的經編復合材料比多軸向經編復合材料表現出更優異的拉伸性能，主要受增強體織物組份紗線束的細度和數量影響。當復合材料試件某一方向受到拉伸載荷時，與軸向拉伸方向平行的紗線束為主承力結構，其他軸向上的紗線束不受力或呈相互交錯的結構，在復合材料拉伸時只起到支撐的作用，因此會出現軸向越少的經編復合材料拉伸強度越大的結果。

圖4 試樣90°方向拉伸應力-應變曲線

2.2 彎曲性能

表4 彎曲性能參數

圖5 試樣0°方向彎曲應力-撓度曲線

圖6 試樣90°方向彎曲應力-撓度曲線

如表4所示，復合材料彎曲測試數據得出彎曲強度、模量的大小關系為沿0°方向雙軸向的彎曲強度比四軸向高10.59%，沿90°方向單軸向的彎曲強度比雙軸向高21.02%比四軸向高63.46%。如圖5、6所示，少軸向的經編復合材料比多軸向經編復合材料表現出更優異的彎曲性能，主要受增強體紗線束的細度、數量及紗束間的排列結構影響。與彎曲載荷軸向方向相垂直的紗線束為主承力結構，彎曲實驗中起支撐作用的紗線束在承受彎曲載荷時，可以發揮"均衡載荷"的作用。當軸向越多時，起支撐作用的紗線束排列越復雜載荷承受能力反而下降，導致彎曲強度減小越嚴重，因此會出現軸向越少的經編復合材料彎曲性能越好的結果。

3 結語

玄武巖多軸向經編復合材料拉伸測試數據得出沿0°方向拉伸強度、模量的大小關系為雙軸向>多軸向，沿90°方向拉伸強度、模量的大小關系為單軸向>雙軸向>多軸向，當復合材料某一方向受拉伸載荷時，充當主承力結構紗線束的拉伸強度決定了復合材料的拉伸強度。

玄武巖多軸向經編復合材料彎曲測試數據得出沿0°方向彎曲強度、模量的大小關系為雙軸向>多軸向，沿90°方向彎曲強度、模量的大小關系為單軸向>雙軸向>多軸向，當復合材料受彎曲載荷時，除了主承力結構紗線束的彎曲強度外，主承力結構紗線束與輔助紗線之間的排列結構也是影響復合材料彎曲強度的重要因素。