增強體材料對RTM 復合板材力學性能的影響

賈立霞 劉君妹

（1.河北科技大學，河北石家莊， 050018；2.河北省紡織服裝技術創新中心，河北石家莊， 050018）

復合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組分通過復合工藝制成的新型材料，其中纖維增強聚合物基復合材料，因其材質堅硬且質量輕，性能可設計，現已逐漸替代部分金屬和合金材料，在交通運輸、航空航天、軍事國防等領域獲得了廣泛的應用［1］。依據不同用途的性能要求，通過選擇纖維增強體的原料和纖維集合體結構，以及聚合物基體及復合成型方法，就可以加工出特定性能的復合制品。

隨著復合材料應用領域的拓寬，其傳統的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現［2］。樹脂傳遞模塑成型簡稱RTM，是由手糊成型工藝改進而來的一種閉模成型技術，最早可以追溯到1940 年的Macro 法，當時是通過抽真空的辦法實現樹脂的填充和浸潤［3］。這種復合材料制造方法能制造出兩面光滑的制品，且成型效率高、對環境及人體健康不產生負面影響、可設計性強［4?6］，近年來得到了越來越廣泛的應用。

本研究采用RTM 復合工藝，以不同的織物作為增強體制作復合板材，通過對比分析增強體織物和其對應板材的拉伸性能，研究增強體織物原料對RTM 復合板材性能的影響。

1 試驗材料

以碳纖維平紋織物、玄武巖纖維平紋織物和高強工業滌綸平紋織物為增強體制備復合板材。玄武巖纖維織物規格：單位面積質量200 g/m2，纖維體積質量3.00 g/cm3。碳纖維織物規格：單位面積質量200 g/m2，纖維體積質量1.80 g/cm3。滌綸織物規格：單位面積質量230 g/m2，纖維體積質量1.38 g/cm3。

1.1 增強體織物拉伸性能測試

為了對比分析增強體織物力學性能對最終復合板材性能的影響，根據GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》分別對3 種織物進行拉伸性能測試，每種織物測試5 塊試樣取平均值。測試儀器選用CMT550 型萬能試驗機，試樣規格250 mm×50 mm，夾持隔距200 mm，拉伸速度20 mm/min，預加載2 N，測試結果如表1 所示。

表1 3 種增強織物的拉伸性能測試結果

3 種增強體織物中，碳纖維織物的斷裂強力最大，玄武巖纖維織物次之，滌綸織物的斷裂強力最小；滌綸織物的斷裂伸長率明顯高于碳纖維織物和玄武巖纖維織物，表現出柔性材料的特性。

1.2 復合板材的制備

采用RTM 成型工藝制備板材，儀器設備選用GSC?20L 型高溫恒溫循環槽、XG?B 型反應釜及控制箱、DL?101?4S 型電熱鼓風干燥箱以及配套抽真空裝置，模具模腔尺寸36 mm×16 mm×5 mm。

1.2.1增強體織物層數的確定

根據模具尺寸，3 種增強體織物的層數應滿足在模具內壓緊情況下的厚度足夠5 mm，防止高壓注膠過程中增強體織物被樹脂沖刷變形，影響板材的成型效果。以玄武巖纖維織物為基礎，經織物厚度測試分析和RTM 填充試驗，確定織物鋪放層數為30 層，依據玄武巖纖維織物質量和纖維體積質量計算此時復合板材的纖維體積分數為40.1%。為使3 種不同纖維復合板材的力學性能具有可比性，3 種復合板材的纖維體積分數均確定為40.1%，同理計算出碳纖維織物和滌綸織物鋪放層數分別為18 層和12 層，且均可滿足充分填充模腔的要求。為改善玄武巖纖維織物和碳纖維織物與樹脂基體的界面性能，在進行裝模之前，選用KH560 有機硅烷類偶聯劑對兩種織物進行浸泡處理，晾干后備用。

1.2.2RTM 填充制備板材

復合板材樹脂基體選用E51 樹脂，固化劑為甲基四氫苯酐，促進劑為叔胺類促進劑DMP?30，按照樹脂∶固化劑∶促進劑為100∶80∶1 的比例配置樹脂體系。通過測試，確定樹脂體系在溫度為65 ℃～70 ℃時的黏度最低，流動性最好，因此選用的注膠溫度為65 ℃，注膠時間為1 h，期間進行兩次注膠，以保證樹脂對增強體織物的充分滲透。

在RTM 設備模具中按設計的鋪放層數鋪放3 種增強體織物，并注膠。注膠完成，采用加熱固化，固化工藝過程為80 ℃（2 h），100 ℃（3 h），120 ℃（2 h），總固化時間為7 h。固化完成后，自然冷卻，然后開模，即可得3 種復合板材。

2 復合板材性能測試

復合板材彎曲試驗參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行。使用的儀器為CMT550 型萬能試驗機，采用三點彎曲測試方法。板材厚度5 mm，依據標準確定測試跨距80 mm，因此確定測試樣品長度100 mm，寬度（15±0.5）mm，試驗速度2 mm/min。每種板材測試5 塊試樣，取平均值，記錄測試結果，同時記錄載荷?位移曲線和板材彎曲破壞模式。

復合板材拉伸試驗參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行。使用的儀器為CMT550 型萬能試驗機，試驗方法為沿試樣軸向勻速施加靜態拉伸載荷，直到試樣斷裂或達到預定的伸長。參考標準確定試樣尺寸規格250 mm×25 mm，夾持距離200 mm。試驗速度2 mm/min。每種試樣測試5 塊樣品，取平均值。同時記錄載荷?位移曲線和各板材的拉伸破壞模式。

3 測試結果分析

3.1 纖維原料對復合板材彎曲性能的影響

不同增強體織物復合板材的三點彎曲性能測試結果如表2 所示，破壞狀態如圖1 所示。彎曲測試加載過程中，玄武巖纖維織物復合板材表觀破壞最為嚴重，發生了樹脂和纖維的共同斷裂，表現為脆性破壞；而滌綸織物復合板材試樣由于滌綸本身存在的塑性變形且彎曲斷裂伸長率最大，在彎曲試驗中破壞程度最小，在達到最大位移時只是發生整體彎曲，樹脂與增強體脫黏，而未出現明顯的斷裂現象；碳纖維織物復合板材在彎曲過程中塑性變形低于滌綸織物復合板材，由于樹脂和纖維間的界面強度較高，板材出現明顯裂痕，沒有完全失效。

表2 3 種復合板材三點彎曲性能測試結果

圖1 各復合板材的彎曲表觀破壞

由表2 數據可見，經RTM 復合加工的相同體積分數的3 種復合板材，碳纖維織物復合板材的破壞載荷、彎曲強度、彎曲彈性模量、最大切應力均最大；玄武巖纖維織物復合板材的4 種力學性能較碳纖維織物復合板材稍差；滌綸織物復合板材的力學性能最差。發生斷裂破壞時，觀察到滌綸織物復合板材的彎曲位移最大，體現出較大的柔韌性。由此可見，樹脂基織物增強體復合板材的力學性能主要取決于增強體織物本身的力學性能，碳纖維織物的力學性能最好，所對應復合板材的彎曲性能最好，玄武巖纖維織物次之；滌綸織物的伸長率最大，故其復合板材的彎曲模量最小，滌綸織物的斷裂強力最小，故其復合板材的相應彎曲力學性能在3 種板材中也最低。

為進一步分析3 種復合板材的彎曲特性差異，記錄彎曲載荷?位移曲線如圖2 所示。

圖2 各復合板材的彎曲載荷?位移曲線

由圖2 可見，碳纖維織物復合板材和玄武巖纖維織物復合板材的載荷?位移曲線相似，在較小變形的情況下，彎曲載荷呈直線上升，彎曲模量較高，達到最大載荷后，試樣發生彎曲斷裂，載荷直線下降，呈現出脆性特征。而滌綸織物復合板材隨變形增加，載荷上升緩慢，達到最大載荷后，并未發生載荷突變，而是隨變形加大，載荷緩慢下降，呈現出明顯的韌性特征。

3.2 纖維原料對復合板材拉伸性能的影響

3 種增強體復合板材的拉伸性能測試結果如表3 所示。

由表3 可見，碳纖維織物復合板材的拉伸強度和拉伸彈性模量最高，滌綸織物復合板材拉伸彈性模量、拉伸強度最小，而斷裂伸長率最大，證明滌綸織物復合板材在拉伸時經較大位移后才會發生拉伸破壞。碳纖維織物和玄武巖纖維織物增強的復合板材拉伸時為脆裂，斷口平整，纖維保持較為完整的狀態，滌綸織物復合板材斷裂則出現纖維抽拔、滑移狀態。對比表1 可知，增強體織物的拉伸性能在復合板材的拉伸性能中均有相關呈現，由此可見織物增強樹脂基復合板材的拉伸性能主要取決于增強體纖維及其織物的力學性能。

表3 3 種復合板材拉伸測試結果

3 種復合板材的拉伸載荷?位移曲線如圖3所示。

圖3 各復合板材的拉伸載荷?位移曲線

由圖3 可見，拉伸初期3 種復合板材差異不大，對應于板材樹脂基體的微量形變，拉伸位移進一步增大，增強體織物在拉伸中起到主要的承載作用，3 種復合板材因增強體織物拉伸性能的差異而呈現出不同的拉伸特征。碳纖維織物復合板材因碳纖維織物的拉伸模量高、強度大而呈現出最大的拉伸模量和斷裂強力。而滌綸織物復合板材的拉伸斷裂伸長明顯高于另外兩種復合板材，呈現出更大的柔韌性，這也直接體現著滌綸織物的拉伸性能。

4 結論

采用RTM 復合工藝制備了以玄武巖纖維織物、滌綸織物和碳纖維織物為增強體的環氧樹脂基復合板材，通過彎曲性能和拉伸性能測試，發現復合板材的力學性能在很大程度上取決于增強體織物的力學性能。拉伸強度較高而斷裂伸長較小的碳纖維織物和玄武巖纖維織物所增強的復合板材，在承受彎曲載荷時，所表現出的抗彎剛度和彎曲強度均較大，載荷?位移曲線相似，達到最大彎曲位移后發生脆性彎曲斷裂。而柔韌性較好、拉伸強度低的滌綸織物所增強的復合板材在彎曲載荷作用下，隨變形增加，載荷上升緩慢，達到最大載荷后，并未發生載荷突變，而是隨變形加大，載荷緩慢下降，呈現出明顯的韌性特征，測試結束后板材未發生整體斷裂，載荷去除后還會發生一定的變形回復。由復合板材的拉伸測試分析可知碳纖維織物復合板材因碳纖維織物的拉伸模量高、強度大而呈現出最大的拉伸模量和斷裂強力。而滌綸織物復合板材的拉伸斷裂伸長明顯高于另外兩種復合板材，呈現出更大的柔韌性。由此可見在實際應用中應合理選擇織物增強體，以調整復合板材的力學性能，適應不同用途的需要。