玻纤捆绑纱双轴向经编碳纤维增强复合材料拉伸性能的研究.pdf

42玻纤捆绑纱双轴向经编碳纤维增强复合材料拉伸性能的研究2012年9月玻纤捆绑纱双轴向经编碳纤维增强复合材料拉伸性能的研究赵兆1，陈南梁1，刘黎民2，魏贺1(1．东华大学纺织学院，上海201620；2．宏发纵横新材料有限公司，常州213001)摘要：为了探讨玻璃纤维捆绑纱对复合材料拉伸性能的影响，对使用高性能玻璃纤维作为捆绑纱的双轴向碳纤维织物以及复合材料进行了拉伸性能测试，分析了材料的破坏模式以及影响因素。结果表明，使用玻纤捆绑纱并未提高增强织物的经向和45。的拉伸强度；玻纤捆绑纱可改善树脂浸渍，减少捆绑纱附近的应力集中，增强碳纤维层间的结合，大大提高碳纤维断裂同时性，从而提高其拉伸性能。捆绑纱相同时，经平组织试样经向强度优于编链组织，凸显了玻纤纱的优势，材料的拉伸性能更好。关键词：捆绑纱；玻璃纤维；经编双轴向织物；拉伸性能中图分类号：TB332；TSIOI．923文献标识码：A文章编号：1003—0999(2012)05—0042—05经编多轴向织物是一种于20世纪70年代后期在国外迅速发展起来的新型制造技术，这类织物与树脂浸渍固化后得到的复合材料性能优良，可设计性好且工艺简单，得到了全面研究和推广应用¨“J。近年来，以碳纤维为增强材料的高性能经编多轴向织物增强复合材料，以其质轻、高比强度、高比模量等优异性能，广泛应用于航空航天、军事、体育用品∞“等领域1。复合材料的弱点之一是层间性能旧J，玻纤与涤纶相比与树脂有更好的结合性能，可以提高树脂对织物的充分浸渍，进而改善复合材料的力学性能。本研究的主要目的是探讨玻璃纤维捆绑纱的编织结构对力学性能的影响，以适应航空航天、军事等领域对材料性能要求的日益提高，也进一步拓宽玻璃纤维的应用范围。1实验部分1．1试验原料陶氏环氧树脂760E／固化剂766H、±45。碳纤维双轴向经编织物，其基本参数见表1。表1双轴向织物的基本参数表TablelBasicParametersOfBiaxiaJFabrics材料名称捆绑纱原料淼织怒度密黧景一：涤纶／编链P／B涤纶纱3．3tex编链组织0．41323玻纤／编链G／B玻纤纱22．2tex编链组织0“．330涤纶／经平P／J涤纶纱3．3tex经平组织0．44348玻纤／经平G／J玻纤纱22．2tex经平组织0，47359注：双轴向织物由常州宏发纵横新材料有限公司提供1．2捆绑纱编织前后拉伸性能的测试参照测试标准GB／T14460-2002，分别对编织前后的性能进行了拉伸试验，测试数据见表2。表2玻纤与涤纶捆绑纱编织前后拉伸测试数据Table2Tensilepropertiestestingdataofglassandpolyster堡i坠!!!：兰竺塾堂：竺竺壁型!!!垦呈!竺!竺§名称断裂强度N／Tex断裂伸长率／％强度损失／％由上表可以看出，由于玻纤的模量高、伸长率低，玻纤纱编织前后的强度损失大于涤纶纱，但是所用玻纤直径只有7txm，编织性提高，且玻璃纤维本身的强度高，在编织后强度仍比涤纶纱高33．3％¨0’11J。所以玻璃纤维在编织中的损伤并没有在很大程度上影响它在织物中的捆绑作用。1．3碳纤维双轴向经编增强织物拉伸性能的测试参照标准GB／T7689．5-2001，使用仪器HD026N+织物强度仪测试了四种增强织物的拉伸性能，如表3。表3碳纤维双轴向经编增强织物拉伸性能测试数据Table3Tensilepropertiestestingdataofbiaxialcarbon!!里：!竺!!!!里竺!型!!!!皇!!垒曼!经向45。名称断裂力断裂伸长断裂力断裂伸长，N／mm／N／mm涤纶／编链P／B15．120．721434．27玻纤／编链G／B9．412．720524．39涤纶／经平P／J8．714．720573．72玻纤／经平G／J4．712．020734．76收稿日期：2011—10—11作者简介：赵兆(1989一)，女，硕士研究生，主要从事玻纤捆绑纱经编双轴向碳纤维增强复合材料的研究。瓣餮《髭2012：NO52012年第5期玻璃钢／复合材料43由于织物中的碳纤维是±45。铺层，在经纬向试样的拉伸过程中所有碳纤维都从织物中抽拔出，捆绑纱也大都慢慢脱散，只有少量捆绑纱被拉断，且不同时，造成测试出的强度小且离散。玻纤的刚度大所以更易脱散，织物强度更小。而450方向拉伸中碳纤维强度远远大于捆绑纱，所以表3中可看到，虽然玻纤捆绑纱强麂大，但并未提高增强织物的经向和45。的拉伸强度。1．4复合材料制备实验采用真空辅助注射成型工艺制备复合材料，树脂与固化剂的比例为3：1，将环氧树脂用真空辅助注射成型工艺注入四种经编织物中制成复合材料，铺层为4层，各层织物捆绑纱线迹重合，常温固化时间为20h以上，再放人80℃烘箱中烘8h。制备的复合材料的基本参数如表4。表4复合材料的基本参数Table4BasicParametersOfCompositeM毗efiM≮≯≯名称鬈訾留2结果与讨论2．1复合材料经向拉伸性能分析参照标准GB／T1446和GB／T1447-2005制作复合材料的拉伸实验试样，结果见表5。表5复合材料拉伸测试数据Table5TensilePropertiesTestingDabOfCompositeMatefiM由于碳纤维的强度远大于基体的断裂强度和基体与纤维分离的强度，所以经纬向试样拉伸试验中试样发生断裂时只有极少量碳纤维的断裂，主要表现为碳纤维的抽拔和基体的断裂，图l为拉伸后断裂试样，可以看到材料的分层和纤维间的分离。而四种试样的基体相同都为环氧树脂，所以它们的经向拉伸强度大小的比较就取决于基体与纤维(碳纤维和捆绑纱纤维)的结合强度¨2|。图I经向拉仲试样断裂端Fig．1Warptensilesamplefractur图2经向拉伸试样断裂端侧面FiD2Warptensilesamplefracture—endside02468101214161820222426XElongation／mm图3复合材料经向拉伸曲线Fig．3Warptensilecurveofcompositematerials08642OZ_，q葡口p∞扫卜玻纤捆绑纱双轴向经缟碳纤维增强复合材料拉伸性能的研究2012年9月结合图3和表5，可看出地组织相同时，玻纤捆绑纱的试样经向拉伸强度明显大于涤纶捆绑纱试样。编链地组织中，玻纤捆绑纱试样强度比涤纶试样高2．9％；经平组织中，玻纤捆绑纱试样强度比涤纶试样高11．6％，部分因为受到相应的织物面密度的影响，但织物密度相差只在2．2％一3．2％之间。这主要是菌为复合材料中应力集中区域的存在是由于捆绑纱的引入使纤维中存在空隙造成的，即捆绑纱使得纤维的分布不再均匀。由于玻纤捆绑纱比涤纶捆绑纱与环氧树脂有更好的结合性，所以树脂在材料中的浸渍性提高，减少了应力集中区，使得材料的层间结合好，提高了基体与纤维(碳纤维和捆绑纱纤维)的结合强度和碳纤维的抽拔断裂同‘时陛1”。表5中，同是玻纤做捆绑纱时，经平组织比编链组织试样的经向拉伸强度高7．97％，即玻纤捆绑纱／经平是四种材料中强度最大的试样。编链、经平两种组织的捆绑纱都可以起到固定各层纱线，避免层间滑移，提高织物层间性能的作用。编链组织与经平组织相比，虽然在同一面积内的束缚点数相同，但分布却不同，束缚点的分布如图4(C)和图4(d)所示。LbJ经平组织一一一一一一一-一一一一一一●(C)编链组织束缚点(d)经平组织束缚点图4经平和编链组织图Fig．4Tricotstitchstructureandchainstitchstructure应力集中是造成复合材料强度降低的主要缺陷，复合材料中应力集中区域的存在是由于捆绑纱的引入使纤维中存在空隙造成的，在图4(a)和图4(b)中可看到，束缚点正是空隙的主要分布区，与编链组织相比，经平组织束缚点的分布较分散，较均匀，所以经平组织材料中应力集中区域也比编链材料的分散，玻纤对树脂有导流作用，提高树脂在材料中的浸渍性，对材料内小的空隙更易填补，减少了应力集中区，所以经平组织试样比编链组织可以更好地凸显玻纤纱的优势，提高复合材料力学性能。2．2复合材料450拉伸性能分析复合材料拉伸断裂理论：在复合材料拉伸实验中，纤维在应力作用下，很容易在本身的薄弱横截面上断裂，但这个截面不一定与材料的实际断裂面重合¨4|。一般情况下，一根或少数纤维在拉伸应力作用下首先破坏，形成裂纹。随着外部载荷的增加，将有更多的纤维断裂。纤维断裂使纤维顶端处产生应力集中，若应力超过基体的屈服强度，则应力集中产生基体裂纹。当基体裂纹在基体中扩展时，就发生基体破坏；当基体裂纹平行于纤维向扩展时，发生2012年第5期玻璃钢／复合材料45纤维脱胶，即纤维从基体中拔出。由于材料本身因素的影响，纤维断裂位置不一致，从而导致纤维拔出的长度不同。当界面弱时，界面层树脂严重脱粘，断裂纤维有抽拔；当界面强时，基体裂纹便难以沿纤维方向扩展，界面层剥离程度减弱，抽拔纤维少【15。。玻纤做捆绑纱的试样强度远远大于涤纶捆绑纱试样，是它的1．S啦倍，它和涤纶捆绑纱试样的断裂伸长率都远远小于经向和纬向拉伸的断裂伸长率，如图5和表5。每个玻纤捆绑纱试样有1—2处断裂，断裂端整齐，没有纤维的抽拔，如图6。结合上面理论，可知碳纤维与基体结合很好，界面强。曲线图5可明显看出玻纤捆绑纱的试样为脆断，碳纤维有很好的断裂同时性，所以在碳纤维断裂前，基体与碳纤维间无应力集中和应力差，基体是在碳纤维断裂的瞬间同时断裂。024XElongation／mm图5复合材料45。拉伸曲线Fig．545。TensileCHIveofcompositematerials图645。拉伸断裂后玻纤／编链试样Fig．6Glass／chainstitch45。tensilefracturedsample而根据涤纶捆绑纱试样的拉伸曲线，它的断裂模式应该更接近第一种理论，先是少量碳纤维的破坏造成应力集中(由于材料中空隙区域造成应力集中)，基体受损，然后是其他碳纤维在不同界面的逐渐断裂。主要是碳纤维断裂的不同时性造成了断裂强度的大大降低。涤纶捆绑纱试样和玻纤捆绑纱试样的断裂后形态有明显差别。涤纶捆绑纱试样在达到最大拉伸强度后并未真正断裂，虽然拉伸强度达到最大并剧烈下降，但试样表面看并无裂痕或损伤。这是因为基体的断裂伸长率远大于碳纤维的断裂伸长率，所以在材料内碳纤维断裂强度达到最大后仍未达到基体的断裂伸长点，但是此时材料拉伸强度已经迅速下降，所以出现了这种强度已经达到顶峰但材料未见断裂的情况。结合两种捆绑纱材料断裂强度和断裂模式分析，由于玻纤捆绑纱改善树脂浸渍，减少捆绑纱附近的应力集中，增强了碳纤维层间的结合，大大提高碳纤维断裂同时性，所以其断裂强度远大于涤纶捆绑纱试样。2．3复合材料纬向拉伸性能分析纬向拉伸的两种试样断裂强度相近。纬向拉伸也是碳纤维的抽拔和基体断裂，但由于纬向取样试样中的捆绑纱不连续，参见图7，所以捆绑纱的材质对试样拉伸性能影响不大。图7材料中两种地组织取向图Fig．7Orientationoftwogroundstitchesinmaterial3结论(1)碳纤维±45。双轴向织物增强复合材料的拉伸中，玻纤捆绑纱可改善复合材料层间结合，从而提高其拉伸性能。与涤纶捆绑纱复合材料相比，经向拉伸强度提高2．9％～11．6％，450方向拉伸强度提高58％；(2)经平组织试样经向强度优于编链组织，可以更好地凸显玻纤纱的优势，提高复合材料的拉伸性能，经平组织比编链组织试样的经向拉伸强度高7．97％。FRP／CM2012．No．546玻纤捆绑纱双轴向经编碳纤维增强复合材料拉伸性能的研究2012年9月参考文献[1]陈南梁．我国产业用经编织物发展的广阔前景[J]．玻璃纤维，2007，2：34-37．[2]周荣星，李炜，陈南梁等．多轴向经编增强材料性能研究[J]．上海纺织科技，2003，31(2)：62453．[3]顾璐英，蒋高明．多轴向经编织物编织工艺探讨[J]．玻璃钢／复合材料，2010，(3l：76-80．[4]徐进，张伟．多轴向弪编复合材料在风电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