HFRP混雜效應及其力學性能試驗研究*

王小萌,龍秀波,吳 超

(1.西南交通大學 力學與航空航天學院 應用力學與結構安全四川省重點實驗室,四川 成都 610031;2.中國航發貴州黎陽航空動力有限公司,貴州 貴陽 550014;3.南京航空航天大學 能源與動力學院,江蘇 南京 210016)

混雜纖維增強復合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer, HFRP)是指在同一基體中有兩種或兩種以上增強纖維的復合材料[1-2]。HFRP可改善單一FRP(Fiber Reinforced Polymer, FRP)的綜合性能,如可提高強度、延性、性價比等。不同的混雜纖維、不同的混雜方式、不同的纖維配比均會導致HFRP的材料性能發生較大的變化。選取合適的混雜方式,并通過調節HFRP中混雜纖維的種類和配比,可互相取長補短,產生協同效應,從而使其各方面性能更加適合工程應用的需要[3-4]。

1 HFRP的混雜效應

HFRP性能表現出與混合定律計算結果有所偏差的一種特殊性質,被稱為混雜效應[5]。混雜效應是HFRP獲得較好力學性能的關鍵因素,它能夠激發單一纖維的最優性能特征,又能夠抑制單一纖維固有的缺點,從而實現性能的均衡[6]。

1.1 FRP材料的破壞機理

單一FRP復合材料的破壞機理[7]:0°方向受拉時,隨著荷載增加,首先在較薄弱的橫截面上有個別纖維先發生斷裂。隨著荷載增加,纖維的斷裂根數不斷增多,直至某個薄弱橫截面失去承載能力而破壞。這種由于纖維累積破壞而導致橫截面破壞的過程,稱為累積削弱破壞。通過縱向拉伸破壞的分析可將破壞模式大致分為如下3種。

1)脆性破壞。當出現纖維斷裂時,如果界面粘結強度較高,則裂紋會立即擴展到整個截面,從而導致脆性斷裂,斷面較為平整。

2)脆性與纖維拔出破壞。如果界面具有中等粘結強度,界面逐漸破壞,有纖維拔出。

3)不規則破壞。如果界面粘結強度低,基體剪切破壞,造成不同位置纖維發生破壞,斷面呈現不規則形狀。

HFRP復合材料的破壞機理:P. W. Manders等[8]提出了約束理論,在承載過程中,低延伸率的纖維先發生斷裂,但是裂紋的擴展會被兩側高延伸率的纖維阻止,從而對裂紋的擴展起到控制作用。盡管低延伸率纖維已斷裂,但由于四周存在高延伸率的纖維和基體,因此斷裂之后還可以通過界面承載,并對HFRP的剛度有貢獻。以上兩種因素致使HFRP的斷裂應變比單一FRP大很多。

1.2 影響混雜效應的因素

1)材料組分。

a.纖維:各組分纖維對HFRP的力學性能起到了決定性的作用。纖維對HFRP的彈性模量、強度、延性都有很大的影響。

b.樹脂基體:樹脂基體對混雜纖維間的協調起到了重要的作用。此外,樹脂還對FRP的拉伸模量、縱向彎曲強度和層間剪切強度有一定的影響。基體的韌性會明顯影響HFRP中的裂紋傳播方式,基體-纖維間的界面狀況也會影響HFRP的力學性能。

2)混雜結構。

纖維混雜結構主要有層內混雜、層間混雜、層內混雜兼層間混雜型3種類型[9-10](見圖1)。

a)A型 b)B1型 c)B2型

A型:層內混雜。有如下幾種:a.連續纖維單向混雜,可按隨機方式混雜,也可按一定規律排布;b.織物混雜,即將混雜纖維按比例進行2D或3D編織;c.短纖維混雜,兩種不同種類的短切纖維混合制成。

B型:層間混雜。有如下幾種:a.B1混雜疊層,兩種FRP按一定方向交替對稱疊合;b.B2肋條增強,如在GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer, HFRP)中嵌入CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)條或帶以彌補某個部位強度或剛度的不足;c.B3夾芯結構,芯層與皮層為不同種類的FRP。

C型:層內混雜兼層間混雜型,由單一纖維FRP和層內混雜FRP疊合制成。

已有研究結果表明:在同一混雜比下,層內混雜型的HFRP混雜效應最明顯,C型與B1型比較接近于層內混雜,B3型夾芯混雜的效果最差。原因是混雜效應與混雜界面有關,混雜界面少的構型混雜效應最不明顯。

3)界面狀況。

混雜界面是產生混雜效應的關鍵原因[11]。當兩種纖維之間距離較遠時,它們不會互相影響。但當兩種纖維間距較近時,會在其間形成一層混雜界面。這種界面的缺陷率較低,裂紋數量較少,并能提高極限應變。它還能有效抑制裂紋的擴展,并能使低延伸率纖維產生多級斷裂[12]。

實際上,上述3種因素是互相影響互相制約的。適宜的混雜形式與良好的分散度有助于形成理想的混雜界面。

2 HFRP單向拉伸試驗

目前用于工程結構的FRP主要是碳纖維增強復合材料CFRP,CFRP雖然質輕高強,但延性差,且價格較高。為改善其延性并降低材料價格,可以選用高延伸率的FRP與CFRP進行混雜。GFRP雖然延性較高,但其彈性模量和抗拉強度較低,長期反復受力狀態下易于折斷,耐久性差,密度也較大。芳綸纖維增強復合材料AFRP(Aramid Fiber Reinforced Polymer, AFRP)不但延伸率高,而且具有高強度高模量,耐腐蝕與耐久性好,密度較小。因此綜合考慮各FRP的材料特點,本文對碳纖維與芳綸纖維層內混雜復合材料C/AFRP進行試驗研究(見圖2)。混雜比為HFRP中碳纖維與芳綸纖維的體積比。

單向拉伸試驗包括4種不同配比的C/AFRP。織物經密為3.75根/cm。測試的C/AFRP均經過環氧樹脂浸漬,樹脂的彈性模量為2.9 GPa,強度為42 MPa。每種混雜比的C/AFRP制作5組試件,碳-芳綸混雜纖維復材的荷載-變形曲線如圖3～圖6所示,試驗結果見表1～表4。

表1 碳-芳綸1∶1混雜纖維復材試驗結果

表2 碳-芳綸2∶1混雜纖維復材試驗結果

表3 碳-芳綸3∶1混雜纖維復材試驗結果

表4 碳-芳綸1∶2混雜纖維復材試驗結果

圖3 碳-芳綸1∶1混雜纖維復材的荷載-變形曲線

圖4 碳-芳綸2∶1混雜纖維復材的荷載-變形曲線

圖5 碳-芳綸3∶1混雜纖維復材的荷載-變形曲線

圖6 碳-芳綸1∶2混雜纖維復材的荷載-變形曲線

單一CFRP或單一AFRP的破壞模式均為脆性破壞,在達到極限應變時整個截面在瞬間發生脆性斷裂。而由圖3～圖6和表1～表4可知,C/AFRP的破壞模式顯示出一定程度的多級破壞,C/AFRP中的碳纖維先發生斷裂,但是碳纖維在斷裂不連續的狀況下仍對剛度有貢獻,因此C/AFRP的拉伸強度及彈性模量均高于單一FRP。

由于以上試件中AFRP強度和彈性模量與CFRP相差較小,因此在AFRP相對體積含量較小時,多級斷裂特征不明顯,而AFRP相對體積含量較大時,多級斷裂特征較為顯著。在C/AFRP中的碳纖維斷裂前,C/AFRP的荷載-變形曲線與單一FRP相同,均為直線,表明混雜纖維復合材料也為彈性材料。

表5為試驗中各FRP的強度、模量、延伸率的平均值、單位面積質量以及價格的綜合比較。表5中所述比例為碳纖維與芳綸纖維的體積比。

表5 C/AFRP性能綜合比較

由表5可知:綜合考慮其力學性能、單位面積質量及價格,碳-芳綸2∶1的層內混雜HFRP性價比最佳,不但可使碳纖維與芳綸纖維優勢互補,而且還能降低材料成本。圖7～圖9所示為HFRP中碳纖維相對體積含量與其強度、彈性模量以及延伸率之間的關系。

圖7 強度與碳纖維相對體積含量的關系

由圖7和圖8可知,C/AFRP的拉伸強度與彈性模量均介于單一CFRP與單一AFRP之間,且隨碳纖維相對體積含量的增加而呈現出非線性增長。由圖9可知,C/AFRP的破壞延伸率均高于單一FRP,因此其性能的發揮率得到顯著提高。延伸率的增加可以提高復合材料的柔韌性,同時增加其破壞閾值,使其具備優異的韌性和良好的抗震和耐沖擊能力。

圖8 彈性模量與碳纖維相對體積含量的關系

圖9 延伸率與碳纖維相對體積含量的關系

3 結語

混雜纖維增強復合材料能夠克服單一纖維增強復合材料受限于單一纖維屬性的局限,因此可以更好地滿足工程應用要求。與單一CFRP相比,C/AFRP層內混雜纖維增強復合材料表現出的混雜效應使其延性增加,碳纖維的性能發揮率得到顯著提高,同時還可以降低材料成本,綜合效益較好。C/AFRP層內混雜纖維增強復合材料拉伸試驗表明:C/AFRP的拉伸強度及彈性模量介于單一CFRP與單一AFRP之間,并隨碳纖維相對體積含量的增加而增大。隨著C/AFRP中芳綸纖維相對體積含量的增加,其多級斷裂特征更加明顯。綜合考慮其拉伸強度、彈性模量、延伸率及價格,碳-芳綸2∶1的C/AFRP性價比最佳,不但可使碳纖維與芳綸纖維優勢互補,而且還能降低材料成本。