增強(qiáng)體材料對(duì)RTM 復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

賈立霞 劉君妹

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

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組分通過復(fù)合工藝制成的新型材料，其中纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，因其材質(zhì)堅(jiān)硬且質(zhì)量輕，性能可設(shè)計(jì)，現(xiàn)已逐漸替代部分金屬和合金材料，在交通運(yùn)輸、航空航天、軍事國防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［1］。依據(jù)不同用途的性能要求，通過選擇纖維增強(qiáng)體的原料和纖維集合體結(jié)構(gòu)，以及聚合物基體及復(fù)合成型方法，就可以加工出特定性能的復(fù)合制品。

隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，其傳統(tǒng)的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現(xiàn)［2］。樹脂傳遞模塑成型簡(jiǎn)稱RTM，是由手糊成型工藝改進(jìn)而來的一種閉模成型技術(shù)，最早可以追溯到1940 年的Macro 法，當(dāng)時(shí)是通過抽真空的辦法實(shí)現(xiàn)樹脂的填充和浸潤(rùn)［3］。這種復(fù)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(duì)環(huán)境及人體健康不產(chǎn)生負(fù)面影響、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)［4?6］，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

本研究采用RTM 復(fù)合工藝，以不同的織物作為增強(qiáng)體制作復(fù)合板材，通過對(duì)比分析增強(qiáng)體織物和其對(duì)應(yīng)板材的拉伸性能，研究增強(qiáng)體織物原料對(duì)RTM 復(fù)合板材性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

以碳纖維平紋織物、玄武巖纖維平紋織物和高強(qiáng)工業(yè)滌綸平紋織物為增強(qiáng)體制備復(fù)合板材。玄武巖纖維織物規(guī)格：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量200 g/m2，纖維體積質(zhì)量3.00 g/cm3。碳纖維織物規(guī)格：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量200 g/m2，纖維體積質(zhì)量1.80 g/cm3。滌綸織物規(guī)格：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量230 g/m2，纖維體積質(zhì)量1.38 g/cm3。

1.1 增強(qiáng)體織物拉伸性能測(cè)試

為了對(duì)比分析增強(qiáng)體織物力學(xué)性能對(duì)最終復(fù)合板材性能的影響，根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》分別對(duì)3 種織物進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，每種織物測(cè)試5 塊試樣取平均值。測(cè)試儀器選用CMT550 型萬能試驗(yàn)機(jī)，試樣規(guī)格250 mm×50 mm，夾持隔距200 mm，拉伸速度20 mm/min，預(yù)加載2 N，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 3 種增強(qiáng)織物的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

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

1.2 復(fù)合板材的制備

采用RTM 成型工藝制備板材，儀器設(shè)備選用GSC?20L 型高溫恒溫循環(huán)槽、XG?B 型反應(yīng)釜及控制箱、DL?101?4S 型電熱鼓風(fēng)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(qiáng)體織物層數(shù)的確定

根據(jù)模具尺寸，3 種增強(qiáng)體織物的層數(shù)應(yīng)滿足在模具內(nèi)壓緊情況下的厚度足夠5 mm，防止高壓注膠過程中增強(qiáng)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(chǔ)，經(jīng)織物厚度測(cè)試分析和RTM 填充試驗(yàn)，確定織物鋪放層數(shù)為30 層，依據(jù)玄武巖纖維織物質(zhì)量和纖維體積質(zhì)量計(jì)算此時(shí)復(fù)合板材的纖維體積分?jǐn)?shù)為40.1%。為使3 種不同纖維復(fù)合板材的力學(xué)性能具有可比性，3 種復(fù)合板材的纖維體積分?jǐn)?shù)均確定為40.1%，同理計(jì)算出碳纖維織物和滌綸織物鋪放層數(shù)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(jìn)行裝模之前，選用KH560 有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑對(duì)兩種織物進(jìn)行浸泡處理，晾干后備用。

1.2.2RTM 填充制備板材

復(fù)合板材樹脂基體選用E51 樹脂，固化劑為甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑為叔胺類促進(jìn)劑DMP?30，按照樹脂∶固化劑∶促進(jìn)劑為100∶80∶1 的比例配置樹脂體系。通過測(cè)試，確定樹脂體系在溫度為65 ℃～70 ℃時(shí)的黏度最低，流動(dòng)性最好，因此選用的注膠溫度為65 ℃，注膠時(shí)間為1 h，期間進(jìn)行兩次注膠，以保證樹脂對(duì)增強(qiáng)體織物的充分滲透。

在RTM 設(shè)備模具中按設(shè)計(jì)的鋪放層數(shù)鋪放3 種增強(qiáng)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(shí)間為7 h。固化完成后，自然冷卻，然后開模，即可得3 種復(fù)合板材。

2 復(fù)合板材性能測(cè)試

復(fù)合板材彎曲試驗(yàn)參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。使用的儀器為CMT550 型萬能試驗(yàn)機(jī)，采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法。板材厚度5 mm，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定測(cè)試跨距80 mm，因此確定測(cè)試樣品長(zhǎng)度100 mm，寬度（15±0.5）mm，試驗(yàn)速度2 mm/min。每種板材測(cè)試5 塊試樣，取平均值，記錄測(cè)試結(jié)果，同時(shí)記錄載荷?位移曲線和板材彎曲破壞模式。

復(fù)合板材拉伸試驗(yàn)參照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。使用的儀器為CMT550 型萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法為沿試樣軸向勻速施加靜態(tài)拉伸載荷，直到試樣斷裂或達(dá)到預(yù)定的伸長(zhǎng)。參考標(biāo)準(zhǔn)確定試樣尺寸規(guī)格250 mm×25 mm，夾持距離200 mm。試驗(yàn)速度2 mm/min。每種試樣測(cè)試5 塊樣品，取平均值。同時(shí)記錄載荷?位移曲線和各板材的拉伸破壞模式。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 纖維原料對(duì)復(fù)合板材彎曲性能的影響

不同增強(qiáng)體織物復(fù)合板材的三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示，破壞狀態(tài)如圖1 所示。彎曲測(cè)試加載過程中，玄武巖纖維織物復(fù)合板材表觀破壞最為嚴(yán)重，發(fā)生了樹脂和纖維的共同斷裂，表現(xiàn)為脆性破壞；而滌綸織物復(fù)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(zhǎng)率最大，在彎曲試驗(yàn)中破壞程度最小，在達(dá)到最大位移時(shí)只是發(fā)生整體彎曲，樹脂與增強(qiáng)體脫黏，而未出現(xiàn)明顯的斷裂現(xiàn)象；碳纖維織物復(fù)合板材在彎曲過程中塑性變形低于滌綸織物復(fù)合板材，由于樹脂和纖維間的界面強(qiáng)度較高，板材出現(xiàn)明顯裂痕，沒有完全失效。

表2 3 種復(fù)合板材三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試結(jié)果

圖1 各復(fù)合板材的彎曲表觀破壞

由表2 數(shù)據(jù)可見，經(jīng)RTM 復(fù)合加工的相同體積分?jǐn)?shù)的3 種復(fù)合板材，碳纖維織物復(fù)合板材的破壞載荷、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、最大切應(yīng)力均最大；玄武巖纖維織物復(fù)合板材的4 種力學(xué)性能較碳纖維織物復(fù)合板材稍差；滌綸織物復(fù)合板材的力學(xué)性能最差。發(fā)生斷裂破壞時(shí)，觀察到滌綸織物復(fù)合板材的彎曲位移最大，體現(xiàn)出較大的柔韌性。由此可見，樹脂基織物增強(qiáng)體復(fù)合板材的力學(xué)性能主要取決于增強(qiáng)體織物本身的力學(xué)性能，碳纖維織物的力學(xué)性能最好，所對(duì)應(yīng)復(fù)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(zhǎng)率最大，故其復(fù)合板材的彎曲模量最小，滌綸織物的斷裂強(qiáng)力最小，故其復(fù)合板材的相應(yīng)彎曲力學(xué)性能在3 種板材中也最低。

為進(jìn)一步分析3 種復(fù)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(fù)合板材的彎曲載荷?位移曲線

由圖2 可見，碳纖維織物復(fù)合板材和玄武巖纖維織物復(fù)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(dá)到最大載荷后，試樣發(fā)生彎曲斷裂，載荷直線下降，呈現(xiàn)出脆性特征。而滌綸織物復(fù)合板材隨變形增加，載荷上升緩慢，達(dá)到最大載荷后，并未發(fā)生載荷突變，而是隨變形加大，載荷緩慢下降，呈現(xiàn)出明顯的韌性特征。

3.2 纖維原料對(duì)復(fù)合板材拉伸性能的影響

3 種增強(qiáng)體復(fù)合板材的拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

由表3 可見，碳纖維織物復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量最高，滌綸織物復(fù)合板材拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度最小，而斷裂伸長(zhǎng)率最大，證明滌綸織物復(fù)合板材在拉伸時(shí)經(jīng)較大位移后才會(huì)發(fā)生拉伸破壞。碳纖維織物和玄武巖纖維織物增強(qiáng)的復(fù)合板材拉伸時(shí)為脆裂，斷口平整，纖維保持較為完整的狀態(tài)，滌綸織物復(fù)合板材斷裂則出現(xiàn)纖維抽拔、滑移狀態(tài)。對(duì)比表1 可知，增強(qiáng)體織物的拉伸性能在復(fù)合板材的拉伸性能中均有相關(guān)呈現(xiàn)，由此可見織物增強(qiáng)樹脂基復(fù)合板材的拉伸性能主要取決于增強(qiáng)體纖維及其織物的力學(xué)性能。

表3 3 種復(fù)合板材拉伸測(cè)試結(jié)果

3 種復(fù)合板材的拉伸載荷?位移曲線如圖3所示。

圖3 各復(fù)合板材的拉伸載荷?位移曲線

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

4 結(jié)論

采用RTM 復(fù)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(qiáng)體的環(huán)氧樹脂基復(fù)合板材，通過彎曲性能和拉伸性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)復(fù)合板材的力學(xué)性能在很大程度上取決于增強(qiáng)體織物的力學(xué)性能。拉伸強(qiáng)度較高而斷裂伸長(zhǎng)較小的碳纖維織物和玄武巖纖維織物所增強(qiáng)的復(fù)合板材，在承受彎曲載荷時(shí)，所表現(xiàn)出的抗彎剛度和彎曲強(qiáng)度均較大，載荷?位移曲線相似，達(dá)到最大彎曲位移后發(fā)生脆性彎曲斷裂。而柔韌性較好、拉伸強(qiáng)度低的滌綸織物所增強(qiáng)的復(fù)合板材在彎曲載荷作用下，隨變形增加，載荷上升緩慢，達(dá)到最大載荷后，并未發(fā)生載荷突變，而是隨變形加大，載荷緩慢下降，呈現(xiàn)出明顯的韌性特征，測(cè)試結(jié)束后板材未發(fā)生整體斷裂，載荷去除后還會(huì)發(fā)生一定的變形回復(fù)。由復(fù)合板材的拉伸測(cè)試分析可知碳纖維織物復(fù)合板材因碳纖維織物的拉伸模量高、強(qiáng)度大而呈現(xiàn)出最大的拉伸模量和斷裂強(qiáng)力。而滌綸織物復(fù)合板材的拉伸斷裂伸長(zhǎng)明顯高于另外兩種復(fù)合板材，呈現(xiàn)出更大的柔韌性。由此可見在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)合理選擇織物增強(qiáng)體，以調(diào)整復(fù)合板材的力學(xué)性能，適應(yīng)不同用途的需要。