織物組織對增強復合板材斷裂韌性的影響

吳孟錦 劉君妹,2 羅 娟 王守濤 賈立霞,2

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

UHMWPE 纖維復合材料以其輕質(zhì)高強和優(yōu)異的抗沖擊性能在航天航空領域得到廣泛應用，可用作飛機翼尖和飛船結構材料及其他領域的耐壓緩沖裝置［1?2］。高性能纖維復合材料的抗沖擊性能主要會受到束縛系統(tǒng)、增強體結構、鋪層方式、材料厚度和纖維體積含量等因素的影響。目前機織增強體常選用平紋結構，但斜紋或緞紋結構具有更好的柔韌性和成型能力［3］。而目前關于二維機織組織結構對復合材料性能影響的研究較少，曾有學者探究等離子體處理、織物結構和二氧化硅粒徑對等離子體處理剪切增稠液（STF）/芳綸織物抗穿刺和抗切割性能的交互影響，發(fā)現(xiàn)織物結構對復合材料的抗切割性能具有顯著影響［4］。對于非平紋結構織物來講，在多層堆疊中改變層間的編織類型可以減輕給定彈道防護水平所需的軟裝甲質(zhì)量［5］。目前已得到應用的纖維增強復合材料多數(shù)以層合板形式存在，容易產(chǎn)生層間裂紋，而一旦發(fā)生分層破壞其力學性能就會大幅度下降。復合材料的層間失效機制主要是界面裂紋擴散，殘余載荷越小，斷裂韌性越低［6］。其中性能測試以Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性為主，用來表征材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的特性，也是復合材料結構和強度設計的重要技術指標［7］。本研究采用等離子體改性技術增強UHMWPE 纖維與乙烯基酯樹脂的界面黏結性能以提高復合材料層間性能，以平紋、二上二下斜紋和五枚三飛緯面緞紋組織UHMWPE 機織物為增強體，制備UHM?WPE/乙烯基酯樹脂復合板材。探索織物組織和等離子體處理對UHMWPE/乙烯基酯樹脂復合板材抗沖擊性能的影響。

1 試驗器材

試驗采用UHMWPE 纖維加捻長絲（東莞市索維特特殊線帶有限公司）。UHMWPE 單紗性能指標：線密度44.44 tex，捻度160 捻/10 cm，斷裂強力119.8 N，斷裂伸長率5.3%，斷裂強度269.6 cN/tex。其他材料還有環(huán)氧乙烯基酯樹脂（濟寧華凱樹脂有限公司），丙酮溶液，去離子水，脫模劑，脫模布，真空袋膜，密封膠帶，導流網(wǎng)，引流管，玻璃鋼化板。

自制平紋、二上二下斜紋和五枚三飛緯面緞紋3 種組織的UHMWPE 織物。織物經(jīng)密均為240 根/10 cm，緯密均為140 根/10 cm，織縮率相差較小，單位面積質(zhì)量為（180±5）g/cm2。

等離子體氣體源選用氧氣，氣體流速設定為8 mL/min，處理時間為150 s，處理功率為200 W。通過等離子體處理能增加纖維與樹脂的浸潤性，使樹脂對織物的滲透更容易，真空灌注過程更為通暢。

采用真空輔助樹脂灌注成型技術（VARI），以等離子體處理前后的UHMWPE 織物為增強體，制備UHMWPE/乙烯基酯樹脂復合板材。將同種組織UHMWPE 織物按［0°/90°］8排列方式交替轉角度疊層放置，一共放置8 層作為增強體結構。并在第4 層和第5 層織物間的左上方部位插入1 張厚13 μm 的聚四氟乙烯薄膜形成分層的初始裂紋，為后續(xù)層間斷裂韌性試驗做準備。為增加凝膠時間，將固化劑與乙烯基酯樹脂質(zhì)量比降為1∶100，均勻混合。灌注前樹脂需在真空干燥機30 ℃下排泡30 min，以免復合板材產(chǎn)生過多氣泡缺陷。樹脂黏度為0.07 Pa·s，各試樣灌注樹脂均為同種環(huán)氧乙烯基酯樹脂。所制備復合板材的纖維體積分數(shù)為（57±3）%，板材厚度為（3±0.15）mm。

2 力學性能測試

根據(jù)ASTM D5528—2013《單向纖維增強聚合物基復合材料的I 型層間斷裂韌性的標準測試方法》，Ⅰ型測試模式采用雙懸臂梁試驗法（DCB）在萬能強力試驗機上采集界面間斷臨界荷載及加載點信息。圖1 所示為Ⅰ型層間斷裂韌性測試示意圖。將一對鉸鏈的一端通過強黏合膠黏附在復合材料預制切口兩端的外表面，夾持在萬能試驗機上進行準靜態(tài)分層試驗，在控制拉伸位移模式下進行，試樣的位移速率為15 mm/min。采用攝像系統(tǒng)監(jiān)測裂紋起裂與擴展情況，并記錄裂紋長度，每組試驗測試3 個樣本。采用掃描電子顯微鏡觀察UHMWPE 復合板材層間韌性測試的斷口損傷形貌。利用載荷、位移和裂紋長度來計算I 型層間斷裂韌性，按照公式（1）計算界面I 型層間斷裂韌性。

圖1 Ⅰ型層間斷裂韌性測試

式中：GIC為I 型層間斷裂韌性（N/m）；PIC為I型臨界載荷（N）；δC為臨界載荷對應的加載位移（×10-4m）；a為預制裂紋長度（mm）；b為試樣寬度（mm）。

根據(jù)ASTM D7905—2019《單向纖維增強聚合物基復合材料的II 型層間斷裂韌性的標準測試方法》，采用端部彎曲試驗（ENF）測試復合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性，圖2 所示為Ⅱ型層間斷裂韌性測試示意圖。測試過程的位移加載速度為5 mm/min；預制裂紋長度為40 mm，試樣跨距選用60 mm。按照公式（2）計算界面Ⅱ型層間斷裂韌性。

圖2 Ⅱ型層間斷裂韌性測試

式中：GⅡC為Ⅱ型層間斷裂韌性（N/m）；P為裂紋擴展臨界載荷（N）；δ對應P的試樣受載荷撓度（mm）；b為試樣寬度（mm）；a為預制裂紋長度（mm）；L是半跨距（mm）。

3 結果與討論

3.1 Ⅰ型層間斷裂韌性

圖3為不同組織結構復合板材Ⅰ型層間斷裂韌性測試的載荷?位移曲線。

圖3 復合板材的Ⅰ型層間斷裂韌性載荷?位移曲線

由圖3 可見，等離子體處理前后不同組織結構復合板材的載荷?位移曲線整體上均呈現(xiàn)漸進波浪式擴展情況；但處理前的裂紋擴展波動情況明顯弱于處理后，主要原因是復合板材界面黏結強度較差，抗撕裂能力較弱。處理前平紋結構復合板材由于組織交織點多，表現(xiàn)出高于斜紋、緞紋的抗撕裂強力，同時由于纖維束交織區(qū)域?qū)λ毫堰^程具有抑制作用，交織曲線波動略強于斜紋、緞紋。處理后的曲線波動情況變化強烈，說明界面黏結程度加強；并且在初期階段的擴展臨界載荷明顯上升，對應的復合板材的剛度和韌性增強。由曲線波動情況可以看出，斜紋和緞紋的波動變化情況和臨界載荷大小均明顯高于平紋結構復合板材。這說明等離子體處理對于具有較長浮長線的斜紋和緞紋織物作用明顯，提高了織物與樹脂的界面黏結性能。

圖4為等離子體處理前后不同組織結構復合板材的Ⅰ型層間斷裂韌性?裂紋長度曲線。

圖4 復合板材的Ⅰ型層間斷裂韌性?裂紋長度曲線

由圖4 可見，氧等離子體處理后織物增強復合板材的斷裂韌性有明顯提高，說明處理后織物與樹脂界面黏結性能確實有很大提高。纖維的表面結構特征是影響復合板材層間性能好壞的重要因素，復合材料的層間剪切強度主要由界面性能決定。

圖5為平紋組織結構復合板材的層間斷裂掃描電鏡圖［8］。由圖5 可見，未處理織物復合板材撕裂表面出現(xiàn)樹脂塊狀劈裂，纖維表面黏結樹脂較少，纖維的橋聯(lián)作用不明顯，復合板材界面性能較差。而氧等離子體處理織物復合板材出現(xiàn)纖維原纖化現(xiàn)象，纖維與樹脂基體黏合緊密，說明纖維與樹脂界面性能較強。氧等離子體通過刻蝕增大了纖維的比表面積，能夠改善纖維與樹脂之間的界面結合和機械摩擦性能；產(chǎn)生的極性位點加強了與樹脂基體的黏結強度，促進纖維原纖化產(chǎn)生的同時提供了更多的黏結點，從而有效提高了復合板材的層間斷裂韌性。

圖5 UHMWPE/乙烯基酯樹脂復合板材Ⅰ型層間斷裂掃描電鏡

由圖4 還可見，經(jīng)等離子體處理后，斜紋織物復合板材和緞紋織物復合板材斷裂韌性的增加明顯高于平紋織物復合板材，說明等離子體處理改性程度會受到織物組織結構的影響。等離子體處理主要對纖維表面結構起到刻蝕和活化作用，但等離子體中自由基和能量粒子可以滲透到纖維束間進行改性，平紋組織交織點較多，浮長小，纖維間的限制作用較強，原試樣層間性能最好，但等離子體處理會影響活性粒子的滲透作用，不利于提高復合板材的層間斷裂韌性，導致處理后織物復合板材斷裂韌性提高不如另外兩種組織明顯。斜紋組織織物交織點較少，浮長增加，經(jīng)緯交織區(qū)的界面交替阻擋作用和浮長線區(qū)的纖維橋聯(lián)作用協(xié)同，使得處理后的斜紋織物復合板材層間斷裂韌性最強。緞紋組織點分散，由于浮線過長，纖維束間約束少，交織點界面交替抵抗作用小，使得復合板材的層間斷裂韌性較差，但等離子體改性程度高，纖維橋聯(lián)作用使得復合板材斷裂韌性有較大程度的增加。綜上可得，等離子體處理對織物增強體的改性程度受組織結構特點的影響，其中對織物結構的浮線區(qū)域的改性程度最深，因而復合板材層間斷裂韌性與界面黏結性能受織物結構中纖維束交織約束和浮長線結構的綜合影響。

3.2 Ⅱ型層間斷裂韌性

圖6為處理前后織物復合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性測試的載荷?位移曲線圖。

圖6 復合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性載荷?位移曲線

由圖6 可見，UHMWPE/乙烯基酯樹脂復合板材載荷曲線變化情況與碳纖維復合材料脆性斷裂迅速擴展失效的典型線性響應不同［9］，UHM?WPE 復合板材經(jīng)歷最高載荷后出現(xiàn)緩慢下降過程，主要為非線性關系，表明UHMWPE/乙烯基酯樹脂復合板材韌性強，更適用于防護領域。

由圖6 還可見，經(jīng)等離子體處理，3 種織物結構復合板材的Ⅱ型層間斷裂臨界載荷均有提高，臨界載荷較大的復合材料損傷阻抗越大。根本原因與Ⅰ型層間斷裂韌性分析相同。處理前平紋結構復合板材的裂紋擴展較快，板材的剛度大，韌性強。等離子體處理織物復合板材在加載初期，緞紋結構復合板材的裂紋變化迅速，呈現(xiàn)出較大的剛度，主要原因是緞紋浮線區(qū)纖維受等離子體改性程度大，纖維與樹脂界面黏結作用強，臨界載荷最高，但裂紋擴展所釋放出來的變形能大于裂紋擴展所需要的能量時，裂紋失穩(wěn)擴展；緞紋結構復合板材曲線出現(xiàn)快速下降情況，后期的抵抗分層能力與平紋和斜紋結構差距不大，表明依然受到增強體組織結構易松散和滑移特點影響。

由于Ⅱ型層間斷裂（剪切模式）測試試樣的裂紋擴展是非穩(wěn)態(tài)的，與Ⅰ型層間斷裂（剝離模式）不同，其無法獲得材料的斷裂韌性阻力曲線，僅能獲得臨界能量釋放率。圖7 為等離子體處理前后不同組織結構復合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性和峰值載荷對比柱狀圖。

圖7 Ⅱ型層間斷裂韌性和峰值載荷對比柱狀圖

由圖7 可見，由氧等離子體處理織物所加工復合板材的Ⅱ型層間韌性均有較大提升。處理前后織物復合材料的Ⅱ型層間斷裂韌性值由大至小依次為平紋、斜紋、緞紋，與未改性Ⅰ型層間斷裂韌性的變化情況一致。斷裂韌性可以確定結構的能量吸收和損傷耐受能力，材料的破壞模式和斷裂韌性值會受到裂紋長度和能量耗散機制的影響。Ⅱ型層間（剪切）失效模式主要是基體斷裂、纖維抽拔、界面失效等模式；與Ⅰ型層間斷裂（剝離）破壞機制不同，纖維橋聯(lián)作用對Ⅱ型層間斷裂韌性測試影響較小；受交織點數(shù)量、裂紋擴展路徑及機械互鎖程度影響較深。圖7 中的緞紋結構復合板材的峰值載荷較高，但受其裂紋擴展長度的影響，其復合板材的Ⅱ型層間斷裂韌性值仍低于平紋和斜紋結構。但從總體情況來看，等離子體處理對其層間斷裂韌性改性程度最大，緞紋結構復合板材的層間斷裂韌性值增長程度最高為190%。處理前后Ⅱ型層間失效情況沒有太大變化，韌性值大小主要受復合板材剛度和界面黏結強度影響。其中由于斜紋和緞紋組織結構較松散，等離子體處理對纖維表面改性作用強，復合板材界面黏結強度更大，縮小了與平紋結構復合板材的差距。

4 結論

（1）對于平紋、斜紋（二上二下）和緞紋（五枚三飛緯面緞）機織結構制備的UHMWPE 織物增強體，平紋組織由于交織點較多，結構較為緊密，纖維束間的約束作用強，平紋結構復合板材韌性和剛度較大；斜紋與緞紋結構復合板材的結構松散，浮線與樹脂黏結強度弱，導致層間斷裂韌性強度較差。

（2）Ⅰ型層間斷裂（剝離）受纖維橋聯(lián)作用較大，而Ⅱ型層間斷裂（剪切）則受裂紋擴展路徑和機械互鎖程度影響較高。經(jīng)氧等離子體處理后，纖維抽拔和纖維橋聯(lián)現(xiàn)象更明顯，有效阻礙了界面裂紋擴展和消耗了分層時的斷裂能，因而等離子體處理對斜紋和緞紋結構復合板材層間增韌效果更強，縮小了與平紋結構的差距。