鋪層角度對頭盔殼體用碳/芳綸混雜纖維復合材料力學性能的影響

張國利 ，童亞敏 ，徐 靖 ，張麗青

（1.天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3.中航工業航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

為了使飛行員適應高超聲速和高機動性等復雜高空環境下的作戰要求，將通訊、多目標瞄準及頭部可顯示戰術信息以及飛行高度、空速、重力加速度和飛行迎角等多種功能單元與頭盔殼體集成于一體的飛行員綜合顯示頭盔，是飛行員用高性能頭盔研究的重要內容[1]。頭盔殼體（以下簡稱盔殼）是多功能頭盔的載體，殼體上要安裝面罩、夜視儀、通信系統等，因此外形復雜，對盔體的尺寸精度、厚度公差、外觀質量、力學性能等有極高要求[2]。

碳纖維比強度高、比模量大，但其性脆，而芳綸纖維韌性好、密度低，兩種纖維并用制備復合材料，一方面可提高其沖擊韌性，另一方面可減輕材料質量，提高材料比強度和比模量[3-7]。在制備盔殼時，一般先將織物裁剪成特定形狀，而后進行鋪層、搭接。鋪覆時織物在曲面模具上會發生拉伸、彎曲、剪切等變形[7-9]。對于紡織復合材料中廣泛使用的碳纖維織物，由于材料本身彈性性能的限制，其拉伸及彎曲變形能力十分有限，織物主要依靠剪切變形實現與模具曲面的貼附，但剪切變形造成經緯紗之間不再垂直，且由于曲率的存在，經緯紗的取向角也會發生改變，這會影響到盔殼的成型質量[10-11]。

目前很多研究人員就鋪層角度對復合材料力學性能的影響進行研究。張成林等[12]研究了玻璃纖維平紋布鋪層角度和層數對層合板拉伸和彎曲性能的影響；曾智等[13]研究了[0]16和[±45]4S兩種典型鋪層角度的復合材料層合板的拉伸力學行為，發現[0]16層板承載能力可達到 1 600 MPa，而[±45]4S層板只有 200 MPa，且二者的損傷形式不同；Sas 等[14]證實了鋪層方式和鋪層角度對織物厚度方向的滲透性能有重要影響。

本文主要研究碳纖維鋪層角度對頭盔殼體用混雜纖維復合材料力學性能影響，依據所測量的碳纖維織物在頭盔曲面上的最終取向，采用RTM 工藝，使用碳纖維和芳綸混雜鋪層，設計制備了碳纖維單向取向為 0°、5°、12°、32°、45°、75°、80°、85°的 8 種復合材料層板，并測試其拉伸和彎曲性能的變化。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

單層織物設計為碳纖維五枚三飛經面緞紋織物，無錫市碳路者復合材料有限公司產品；芳綸緯編雙軸向織物，天津工大航泰復合材料有限公司產品；樹脂體系選為EPIKOTETMResin TRAC 06150 快速固化樹脂和EPIKURETMCuring Agent TRAC 06150 固化劑，美國瀚森化工有限公司產品。層合板用增強纖維和樹脂的性能參數見表1 和表2。

表1 單層織物參數Tab.1 Parameters of monolayer fabric

表2 樹脂體系的性能參數Tab.2 Performance parameters of resin system

1.2 鋪層設計

通過測量織物在頭盔曲面上的實際取向，本文設計了 0°、5°、12°、32°、45°、75°、80°、85°共 8 種鋪層角度。經紗方向定義為0°，緯紗方向定義為90°，經緯紗相互垂直，取向角為碳纖維緞紋織物經紗方向與試樣長度之間的夾角，第2 層和第5 層所用織物是芳綸緯編雙軸向織物，其余層使用碳纖維緞紋織物，共6 層。按照均衡對稱鋪層原則，兩層芳綸緯編雙軸向織物為0°鋪層，即經紗方向與試樣長度方向平行，其他層取向角根據計算結果按同一種角度鋪層。層合板結構設計如表3。表中：C 為五枚三飛碳纖維緞紋織物；M 為芳綸緯編雙軸向織物；下標0、5、12 等代表碳纖維緞紋織物的鋪層角度。

表3 層板鋪層角度設計Tab.3 Design of lay-up angle of laminate

1.3 復合材料層合板的制備

采用樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）制備復合材料層合板。首先將EPIKOTETMResin TRAC 06150 樹脂在50 ℃的烘箱中加熱2 h，降低其黏度。將織物鋪放在380 mm×180 mm×2.4 mm 的模具中，在 50 ℃的烘箱中預熱2 h，并對模具進行氣密性檢測。EPIKOTETMResin TRAC 06150 和EPIKURETMCuring Agent TRAC 06150的混合比例為100 ∶24（質量比）。試樣制備時的注膠壓力為0.3 MPa，注膠溫度為50 ℃，固化溫度為80 ℃，固化時間為1 h。

1.4 性能測試

彎曲性能測試按照標準GB/T 1449-2005 進行，試樣尺寸為140 mm×12 mm×h（厚度），采用的設備為島津AG-250KN 萬能試驗機，壓頭和支座均為弧形面，壓頭半徑為（5±0.1）mm，加載速率為 2.0 mm/min，儀器量程設置為2 500 N。

2 結果與討論

2.1 鋪層角度對復合材料拉伸性能的影響

圖1 為不同鋪層角度復合材料層板拉伸強度和模量的對比。

圖1 不同鋪層角度復合材料的拉伸強度和模量Fig.1 Tensile strength and modulus of composites with different lay-up angles

由圖1 可知，隨著鋪層角度的增加，拉伸強度和拉伸模量先減少后增加，整體的變化曲線呈凹拋物線型。所制備的8 種不同鋪層角度的層合板中，試樣C0MC0的拉伸強度和拉伸模量最大，分別為514.45 MPa和34.48 GPa，試樣C45MC45的拉伸強度和模量最小，分別為 273.41 MPa 和 16.95 GPa。

由圖1 還可得知，當2 種試樣的鋪層角度差為5°時，試樣的拉伸強度和拉伸模量的變化趨勢相同，變化百分比較集中。如試樣C5MC5的拉伸強度和拉伸模量比C0MC0的拉伸強度和拉伸模量分別降低了4.94%和4.03%；C80MC80的拉伸強度和拉伸模量比C75MC75的拉伸強度和拉伸模量分別增加了5.45%和5.58%；C85MC85的拉伸強度和拉伸模量比C80MC80的拉伸強度和拉伸模量分別增加了5.95%和7.82%。當鋪層角度差為12°～20°時，試樣拉伸強度的下降趨勢減小，如C12MC12的拉伸強度比C0MC0的拉伸強度降低了27.04%；C32MC32的拉伸強度比C12MC12的拉伸強度降低了17.88%；C45MC45的拉伸強度比C32MC32的拉伸強度降低了11.30%。

產生此種差異的主要原因是纖維取向影響了載荷在纖維和基體間的分布。當鋪層角度為0°時，纖維與試樣拉伸方向一致，纖維和基體共同承擔軸向載荷。隨著加載的進行，纖維開始發生變形，當載荷超出纖維所能承擔的拉伸極限時，纖維斷裂。隨著鋪層角度的增加，承擔主要載荷的纖維取向與試樣拉伸方向夾角逐漸增大，基體承擔的應力增加，拉應力通過界面傳遞到纖維上，纖維所承擔的應力逐漸減少。此時，施加較小的載荷就能使基體破壞、纖維和基體脫離。因此隨著鋪層角度的增加，試樣的拉伸強度降低[15]。當鋪層角度為 75°、80°、85°時，緯向纖維與拉伸方向逐漸一致，纖維主要承擔的應力增加，拉伸強度開始增大，但由于緯紗交織點多、屈曲大，纖維變形大，故試樣C85MC85的拉伸強度和拉伸模量低于C5MC5的拉伸強度和拉伸模量。

圖2 所示為制備的8 種不同鋪層角度的復合材料的載荷-位移曲線。

圖2 不同鋪層角度復合材料的拉伸載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of composite materials with different lay-up angles

從圖2 中可以看出，8 種試樣的載荷-位移曲線具有相同的變化趨勢。在加載初始階段，載荷-位移曲線呈線性關系，隨著加載進行，曲線開始呈弧線上升，當達到試樣的承載極限后，曲線呈直線下降。試樣在拉伸時，拉應力通過界面傳遞到纖維，試樣呈脆性斷裂，斷裂前沒有明顯的屈服[16]。

隨著碳纖維織物鋪層角度的增加，試樣所能承受的最大載荷先減小后增加。試樣尺寸相同時，載荷的大小反映了其拉伸強度的大小。在加載初始階段，載荷均勻增加，加載到一定程度后，載荷驟然下降。這主要是因為在拉伸時，拉應力通過界面傳遞到纖維上，發生破壞時先是基體開裂，然后是纖維的斷裂和抽拔。纖維的取向角會影響到載荷在纖維和基體間的分布情況，故鋪層角度不同，載荷-位移曲線的斜率和最大值不同。

圖3 為8 種試樣的斷裂形貌圖。

圖3 8 種復合材料層合板拉伸斷裂形貌Fig.3 Tensile fracture morphology of 8 samples of composite laminates

由圖3 可以看出，0°鋪層時的試樣在拉伸破壞時復合材料斷面較為整齊，當拉伸載荷超出最薄弱纖維的承載極限時，該部分纖維首先發生斷裂，此時載荷被分配到同水平的其他纖維上，附近的纖維也先后發生斷裂；鋪層角度為12°時，纖維未完全斷裂，破壞區域沿經紗方向發生錯位，破壞方式有基體開裂和部分纖維斷裂，無明顯纖維抽拔。C32MC32、C43MC43、C45MC45的斷口方向與經向纖維取向一致，破壞方式有纖維斷裂、基體開裂和纖維抽拔；C75MC75、C80MC80、C85MC85的斷口沿經紗方向，破壞方式有纖維伸出、纖維斷裂和纖維束之間部分樹脂基體斷裂和脫落[17]。

2.2 鋪層角度對復合材料彎曲性能的影響

圖4 為不同鋪層角度復合材料層板彎曲強度和模量對比。

圖4 不同鋪層角度復合材料的彎曲強度和模量Fig.4 Bending strength and modulus of composites with different lay-up angles

由圖4 可以看出，不同鋪層角度材料試樣的彎曲強度和彎曲模量存在差異。隨著鋪層角度的增加，材料的彎曲強度和彎曲模量先減少后增加。所制備的8 種不同鋪層角度的層合板中，試樣C0MC0的彎曲強度和彎曲模量最大，分別為462.58 MPa 和34.72 GPa，試樣C32MC32的彎曲強度和彎曲模量最小，分別為342.96 MPa 和 23.95 GPa。

當2 種試樣的鋪層角度差值為5°時，試樣的彎曲強度和模量變化趨勢一致，且變化率相近，如C5MC5的彎曲強度和模量比C0MC0的彎曲強度和彎曲模量分別降低了2.91%和2.85%；C80MC80的彎曲強度和彎曲模量比C75MC75的彎曲強度和彎曲模量分別增加了5.88%和6.34%；C85MC85的彎曲強度和彎曲模量比C80MC80的彎曲強度和彎曲模量分別增加了6.11%和5.93%。當鋪層角度差值為12°～13°時，試樣的彎曲強度和彎曲模量的變化也相對穩定，如C12MC12的彎曲強度和彎曲模量比C0MC0的彎曲強度和彎曲模量分別降低了14.97%和17.34%；C45MC45的彎曲強度和彎曲模量比C32MC32的彎曲強度和彎曲模量分別增加了10.65%和7.39%。

三點彎曲實驗是試樣的上表面受壓，下表面受拉，隨著鋪層角度的增加，經紗所承受的彎曲載荷越小，彎曲強度和彎曲模量也越小。當鋪層角度大于32°時，緯紗承擔主要載荷，試樣的彎曲強度和彎曲模量又逐漸增大[18]。

圖5 為所制備的8 種不同鋪層角度層合板的載荷-撓度曲線。

由圖5 可以看出，鋪層角度不同，曲線的變化趨勢也不相同。C0MC0、C5MC5、C12MC12、C75MC75、C80MC80、C85MC85的變化趨勢相似，初始加載階段曲線呈線性上升，到加載后期，曲線呈鋸齒狀上升，達到最大載荷后，曲線直線下降。C32MC32、C45MC45在初始加載階段，曲線呈線性上升，加載中期，曲線呈弧形上升，加載后期，曲線呈鋸齒狀上升，達到最大載荷后，曲線直線下降。曲線的初始斜率和最大載荷隨著鋪層角度的增加先增加后減少，載荷-位移曲線呈線性增長階段，復合材料層合板是作為一個整體承受外來載荷，纖維與基體同時發生變形，試樣上表面受擠壓作用，下表面呈拉伸作用[19]。在達到一定位移后，載荷-位移曲線呈非線性增長，試樣上表面區域壓應力增加，基體界面發生破壞；下表面區域拉應力也增加，拉伸方向的纖維與基體界面也發生破壞，二者不再同時發生變形，曲線呈非線性變化。材料發生彎曲破壞時，可聽見清脆的纖維斷裂和基體開裂的聲音。

圖6 所示為8 種試樣的彎曲破壞形貌。

由圖 6 可見，試樣 C0MC0、C5MC5、C12MC12、C32MC32、C85MC85的下表面出現微裂紋，無明顯纖維斷裂。C45MC45的下表面出現微小基體開裂，C75MC75、C80MC80 的下表面無明顯破壞。C0MC0的側面在中間和左邊緣位置出現了裂紋，C5MC5、C12MC12、的側面沒有明顯破壞，C32MC32、C45MC45、C75MC75、C80MC80、C85MC85側面的左邊緣位置出現微小裂紋。C32MC32的承載能力弱，在受到彎曲載荷時，試樣的彎曲撓度最大，破壞最明顯。層合板是由碳纖維和芳綸混雜鋪層，而芳綸緯編雙軸向具有很好的柔韌性，且其中的襯紗沿織物的經向和緯向呈平行順直狀態，所以試樣沒有明顯的纖維斷裂、纖維抽拔等破壞[20]。

3 結 論

本文主要對試樣進行了拉伸、彎曲實驗，并對拉伸、彎曲數據、載荷-位移曲線、試樣破壞形貌進行了分析整理，總結出了鋪層角度對試樣力學性能的影響規律。

（1）試樣的拉伸強度和模量、彎曲強度和模量隨碳纖維織物鋪層角度增大呈先減小后增大的趨勢。鋪層角度為0°時，試樣的拉伸強度和拉伸模量分別達到最大值514.45 MPa 和34.48 GPa，彎曲強度、彎曲模量分別達到最大值462.58 MPa 和34.72 GPa。鋪層角度為45°時，試樣的拉伸強度和拉伸模量分別達到最小值273.41 MPa 和 16.95 GPa；鋪層角度為 32°時，試樣的彎曲強度和彎曲模量分別達到最小值342.96 MPa 和23.95 GPa。

（2）當2 種試樣的鋪層角度差值為5°時，二者的拉伸強度和拉伸模量的變化百分比均在5%左右，而C5MC5的彎曲強度和彎曲模量比C0MC0分別降低了2.91%和 2.85%，C75MC75和 C80MC80、C80MC80和 C85MC85兩組試樣的彎曲強度和彎曲模量變化率均在6%左右。

（3）鋪層角度為0°和5°時，試樣在經緯紗交織點附近發生斷裂，其他鋪層角度試樣的斷口沿經紗方向呈斜向；試樣上表面的彎曲破壞形式主要是沿經紗方向基體開裂，下表面的主要破壞形式是微小裂紋，側面主要發生分層破壞。