芳綸混編復合材料的抗沖擊性能研究進展

范志平，靳高嶺

（1.上海芳峰綸科技有限公司 上海 201500；2.中國化學纖維工業協會 北京 100020）

1引言

混編復合材料是使用嵌入單一基體中的兩種或兩種以上的纖維制成的，從而產生了一種性能不同于每種纖維類型和基體的新材料。混編程度可以是小規模（纖維、絲束）或大規模（層、拉擠、肋）的，混編目的是構建一種新材料，保留其成分的優點，舍棄其缺點。在過去的幾十年里，混編復合材料在各個領域的需求日益增加。高剛度、高強度、輕重量和適應性是選擇這類材料的主要原因，特別是在航空和汽車應用方面[1-2]。

近年來，混編芳綸夾層復合材料因其相對于傳統復合材料的優勢而受到廣泛關注。對位芳綸是芳綸系列合成纖維中的一種，與玻璃纖維和鋼絲相比，對位芳綸具有優異的強度重量比。此外，對位芳綸凱夫拉Kevlar 復合材料結構具有高模量、良好的熱穩定性、阻燃性、抗損傷性、高韌性和韌性[3-4]。因此，Kevlar 作為沖擊能量吸收結構，通常以安全頭盔、戰斗頭盔和防彈衣的形式用于個人防護裝備。通過將相對高延伸率/低模量的Kevlar 與其他低延伸率/高模量的纖維相結合，可以具有每種增強材料的高機械性能的特性，來實現不同纖維的優勢互補用以改善復合材料的多種性能，從而形成平衡的混編復合層壓板。例如：如果通過在壓縮側承受穿透沖擊能量，并讓位于張力側的對位芳綸Kevlar 吸收更多能量，將碳纖維層放置在非對稱鋪層的受沖擊側，則混編積極效應明顯[5]。文章綜述了芳綸/碳纖維、芳綸/玻璃纖維等二元及多元混編復合材料的抗沖擊性能的研究進展。

2 混編結構的優勢

與傳統的高分子復合材料相比，混編復合材料具有更好的機械和物理性能，已被用于航空、汽車等領域。這些復合材料可以根據需求調整以滿足重量、強度、抗沖擊性、精度和成本方面的不同設計要求。所有這些設計要求都可以通過改變纖維類型或方向、層間失配角、纖維體積分數、混編配置和混編方法來定制[6-7]。

根據成分的混合方式，常見的有四種不同的混編方法。第一種被稱為“層內混合纖維”，將兩種或兩種以上的纖維類型混合在同一層中；第二種被稱為“層間混合材料”，層壓板的每一層都包含一種纖維類型；第三種被稱為“三明治混合纖維”，其中一種單纖維類型的纖芯被夾在另一種纖維類型的兩層之間；最后一種被稱為“超級混合”，除了不同的纖維類型外，還使用了不止一種基體類型[8-9]。例如許多人造纖維和天然纖維用于混編復合材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸、玄武巖纖維等。

如今夾層復合材料在航空航天、海洋/海上工業和地面運輸等領域的應用越來越受歡迎。夾層復合材料非常適合需要高平面內剛度和彎曲剛度的輕質結構。然而，因其對局部沖擊載荷的抵抗力相對較差，復合材料的剛度和殘余強度在碰撞后會降低，使其在易受沖擊的應用領域受到限制[10-11]。如果使用Kevlar 纖維代替碳纖維結合使用，則使用Kevlar 纖維增強復合材料可以顯著提高沖擊損傷容限[12]。Bunsell 和Harris[13]提出，一旦在層間混編材料中達到脆性層（碳纖維）的破壞應變，如果層壓板之間的粘合足夠，載荷可以轉移到韌性層（Kevlar）。

3 成型工藝

最近，許多研究工作都致力于生產輕質、高性能和低成本的高分子復合材料。熱固性或熱塑性復合材料可以通過在樹脂基體中加入增強纖維，優化拉伸、沖擊和彎曲強度特性的方法來提高性能。人們對在傳統樹脂中結合多種纖維而制備的混編復合材料的需求逐漸增加。由于碳纖維增強的復合材料容易受到沖擊，這些混合復合材料的目的主要是改善碳基層壓板的抗沖擊性。混編復合材料的性能可以通過各種制造因素來調整，一般來說，纖維的類型和含量、纖維取向、堆疊順序、層壓形式和制造工藝，具有相同增強纖維的復合材料也可以有不同的性能，這取決于層壓結構的選擇[14]。

典型的加工技術，如高壓釜、樹脂傳遞模塑成型（RTM）[15]、真空袋壓和手糊成型[16]等，已被用于制造適合工業應用的高性能復合材料。高壓釜法可以生產出具有良好機械性能的高質量材料，但安裝成本高，生產率低。真空輔助樹脂轉移模塑（VARTM）[17]相對簡單，生產的材料質量與高壓滅菌產品類似。

4 混編結構沖擊性能研究進展

隨著復合材料的廣泛使用，面臨的主要威脅也隨之而來，異物沖擊就是其中之一。例如，在制造過程或維護過程中，工具可能會掉落在結構上。在這種情況下，雖然撞擊速度很小，但沖擊力比較大。夾層復合材料結構比類似的金屬結構更容易受到沖擊損傷。在復合材料結構中，撞擊造成的內部損傷通常無法通過常規目視檢查檢測到，這種內部損傷會導致材料強度嚴重降低，并在負載下強損程度快速增長。

耐沖擊性能研究的重要性可歸因于三個因素：（1）與類似的金屬結構相比，在層壓復合材料中更容易誘發損傷；（2）在載荷下損傷會增長，結構的強度和剛度會顯著降低；（3）沖擊損傷通常無法通過傳統的目視檢查發現。因此，必須了解異物對復合材料結構的影響，并在設計過程中采取適當措施，來規避對復合材料造成的損傷。沖擊對復合材料結構性能影響一直是限制復合材料使用的一個重要因素。

熱固性或熱塑性復合材料可通過增強纖維在樹脂基體中的摻入和反應來提高性能。在文獻中可以找到大量專注于扁平和整體碳纖維/芳綸混編層壓板沖擊分析的實驗工作，主要是結合金屬箔和高分子層（即超級混合或纖維金屬層壓板）[18]使用相同基體但沿堆疊順序（即層間混編）或層內（即層內混編）交替使用不同纖維材料的實驗工作。在彈道沖擊下，復合材料受到一些重要屬性的影響，如材料的各向異性、材料的壓實、相變、偏差耦合以及體積行為[19-20]。

4.1 芳綸與碳纖維混編復合材料研究現狀

考慮到碳纖維和芳綸纖維作為環氧樹脂的補強材料，也進行了一些研究。早在1978 年的時候Dorey 等人[21]研究了碳纖維和Kevlar 49 增強樹脂混合層壓板（2 層芳綸8 層碳纖維2 層芳綸K/C/K），損傷開始的閾值能量是碳纖維復合材料的4 倍，斷裂能量是碳纖維復合材料的2 倍，沖擊后的殘余強度優于碳纖維復合材料，并且在某些情況下優于Kevlar 復合材料。單向K/C/K 的靜態機械性能比Kevlar 復合材料好得多；測得的這些性能都不低于碳纖維復合材料本身的80%。Kevlar 復合材料層在混編復合材料內部的效果不如在外部優異。Marom 等人[22]研究了碳纖維增強復合材料與Kevlar 纖維的混合，在沖擊能量方面產生了顯著的混合效應，當混合采用夾層形式時，Kevlar 纖維被置于外層。在該結構中，用Kevlar 纖維取代50%的碳纖維，幾乎達到了Kevlar 母體復合材料的沖擊性能。此外，有跡象表明，如果斷裂是通過拉伸斷裂而不是剪切發生的，只要Kevlar 纖維被放置在外層，即使在更緊密的混編中也會觀察到積極的混合效應。在這兩項研究中，分析了具有不同堆疊結構的碳-芳綸混編復合材料的沖擊行為，具有明顯的正雜交效應，并且對堆疊順序有很強的依賴性。

在1997 年Lee 等人[23]利用剪切變形理論研究了混合層壓復合板遭受低速沖擊的響應。他們得出結論，根據堆疊順序，兩個具有相同組分比的混合復合板的分數能量損失具有不同的值。碳纖維-Kevlar-碳纖維板具有低能量損失，Kevlar-碳纖維-Kevlar 板具有更高的能量損失；也就是板中心的位移隨混合層合板的堆疊順序而變化，混合層合板的彎曲行為主要取決于沖擊表面的材料特性。與單向層壓板相比，平紋編織結構能有效提高復合材料的抗沖擊性[24]，在層壓板中應用廣泛，而碳/Kevlar 混合平紋編織層壓板抗沖擊性方面的研究較少。

Hazell[25]研究了由碳纖維增強材料和平紋Kevlar 29 織物組成的混合復合材料與鋼球形彈丸撞擊的彈道沖擊響應。研究了混合復合材料的不同組合，其中Kevlar 層支持的層壓板正面的碳纖維復合材料表現出良好的能量吸收。Brown[26]還評估了碳纖維和Kevlar 纖維混編復合材料表現出最大的沖擊極限，以及更高的抗彈道性和更輕的重量。

在芳綸/碳纖維混編復合材料抗沖擊性能的研究中，有較多針對混編方式、成型工藝、沖擊的速度等對復合材料的沖擊吸收的能量、沖擊載荷以及沖擊損傷形貌等抗沖擊性能影響的研究，通過觀察沖擊后樣件的凹坑深度、沖擊外貌、內部損傷面積來分析樣品的損傷破壞情況，對比何種條件下的樣品抗沖擊性能優越。碳纖維/芳綸混編復合材料是利用碳纖維優越的力學性能和芳綸纖維更好的抗沖擊材料性能，通過緊密混合組合可以實現優異性能。

4.2 芳綸與玻璃纖維混編復合材料研究現狀

芳綸纖維/玻璃纖維混編復合材料可以結合兩種纖維的優點。玻璃纖維提供了高剛度、高強度和承載能力，而芳綸纖維則使復合材料更具損傷容限和抗沖擊性[27]。增強織物中具有Kevlar/玻璃混編結構的復合材料在比機械強度、彎曲和沖擊能量方面表現出更好的結果，混編復合材料的沖擊行為取決于大量設計參數，如層壓板厚度、表面處理和堆疊順序。

實驗發現，混編復合材料的能量吸收和損傷程度取決于層壓板厚度[28]。考慮到損傷尺寸的影響，厚層壓板似乎比薄層壓板更不容易受到沖擊損傷。此外，據報道，混編復合材料的堆疊順序在決定復合材料的沖擊行為方面起著重要作用，每層的位置改變了混編復合材料的沖擊能量和能量吸收模式[29]。

Muhi 等人[30]通過實驗和分析研究了與一層 Kevlar 29 纖維混合的E 玻璃纖維復合材料層壓板在高速沖擊下的行為。研究得出以下結論：Kevlar 層的加入提高了復合層合板的韌性（強度和延展性），從而提高了抗穿透性。研究發現 Kevlar 位置在控制吸收的能量方面起主導作用；在高速沖擊的情況下，結構對這種載荷的響應和彈頭幾何形狀非常敏感，使用鈍-半球形-錐形彈丸吸收的能量會減少；從靜態能量模型估計的殘余速度值高于實驗測量的殘余速度。這意味著目標在動態穿透期間消耗的能量高于準靜態情況，即使兩種情況的失效模式相似，修正后的能量模型預測的剩余速度與半球形和錐形彈丸情況下的實驗結果一致。

Kinani 等人[31]研究了與Kevlar 纖維混合的玻璃纖維增強復合材料層壓板的準靜態穿透阻力。具有不同堆疊順序的混合復合材料經受不同的鼻形撞擊器以表征混合效應。

Bandaru 等人[32]研究了混編對復合裝甲彈道性能的影響，該裝甲由Kevlar、玻璃纖維和碳纖維的各種組合和堆疊順序增強，發現纖維的堆疊順序是影響彈道性能的主要因素。例如，后側采用Kevlar 纖維，外側采用玻璃纖維，前側采用碳纖維，就顯示出良好的防彈性能。

5 總結

文章簡要回顧了芳綸纖維的各種混編復合材料，以及復合材料在各種沖擊條件下的行為。論述了層壓板的抗沖擊性，可廣義地定義為研究層壓板中異物沖擊造成的損傷，特別關注混編所起的作用。就是將兩種或兩種以上的纖維在同一基質中混編，以提高抗沖擊性和相關損傷容限，通過大量的實驗研究影響損傷擴展的幾個因素，了解了沖擊損傷的發展和相關的失效模式。以上的研究有助于提升芳綸混編復合材料在更廣領域的應用，并逐漸應用于航空航天、汽車、民用體育等更多領域。深入研究工業中使用的混編復合材料的沖擊相互作用過程，以開發其在廣泛領域應用。