芳纶Ⅲ纤维及其混杂碳纤维复合材料的压缩性能研究.pdf

Ⅲ　芳纶纤维及其混杂碳纤维复合材料的压缩性能研究　　２０１６年１１月　Ⅲ　　芳纶纤维及其混杂碳纤维复合材料的压缩性能研究　　　严文聪，曾金芳，李朝阳，雷涛　　　（西安航天复合材料研究所，西安７１００２５）ⅢⅢ　摘要：对比研究了芳纶纤维复合材料、芳纶纤￣￣．／Ｔ８００碳纤维混杂复合材料、Ｔ８００碳纤维复合材料单向板压缩性能，以及三种状态下缠绕的４　　　　，１５０ｍｌｎ容器轴压性能。结果表明：混杂复合材料压缩强度和模量随混杂比（）的增大而增加，当ＦⅢ　　为２８．５％时，混杂复合材料单向板压缩强度比芳纶纤维复合材料提高５７％，压缩模量提高２０．９％；混杂复合材料４　，１５０　　　Ⅲ　　　　ｍｍ容器（Ｆ＝４６％）轴压破坏载荷达到１３８．６ｋＮ，比芳纶纤维复合材料４，１５０ｍｍ容器的轴压破坏载荷提高１８．５％，但仍为　混杂负效应。Ⅲ　关键词：芳纶纤维；Ｔ８００碳纤维；混杂复合材料；压缩性能　　　　　——　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１６）１卜００９００４　　　１前言　．　芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐化学　腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空、航天、兵器等　高科技领域，其技术的发展一直备受重视。国外典　型的高性能芳纶纤维有美国的Ｋｅｖｌａｒ系列纤维和俄　　　　罗斯的ＡＰＭＯＣ系列纤维。我国从２０世纪８Ｏ年代　　　　　Ⅱ　开始，先后研制出芳纶Ｉ（芳纶１４）和芳纶（芳纶　１４１４）纤维，但与美、俄相比，其性能水平差距较大。“”　十一五期间，中蓝晨光化工研究院和广东彩艳化Ⅲ　纤股份有限公司等单位成功研制出国产芳纶纤维　　　　并实现批量化生产，其拉伸强度达到了４５００ＭＰａ以上¨　　　Ｊ，接近俄罗斯ＡＰＭＯＣ纤维，打破了长期以来高　　　性能芳纶纤维依赖进口的局面。工程实际表明，芳　Ⅲ　　纶纤维复合材料压缩性能较差，制约了其作为高　性能结构复合材料在导弹武器等高科技领域中的广　泛应用。　提高复合材料压缩性能的方法主要有纤维表面　　　　改性［２］、采用高模量树脂基体［。，和纤维混杂等　Ⅲ　方法。本文采用纤维混杂方法改善芳纶纤维复合　　　　Ⅲ　材料压缩性能，对比研究了芳纶纤维复合材料和Ⅲ　芳纶纤维／碳纤维混杂复合材料单向复合材料和　　ｔｈｌ５０ｍＩｎ容器的压缩性能。　　　２实验　　２．１原材料　　　Ｒ０１环氧树脂：西安航天复合材料研究所；国产　Ⅲ　芳纶纤维：中蓝晨光化工研究院；Ｔ８００碳纤维　　　（６Ｋ）：日本东丽公司。树脂及纤维复丝性能见表１　所示。　　　表１树脂及纤维复丝性能　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｒｅｓｉｎａｎｄｆｉｂｅｒ　　２．２试验设备　　　　　　　Ｉｎｓｔｒｏｎ４５０５电子万能实验机：英国Ｉｎｓｔｒｏｎ公　　　　　　　　　　　　　　　司；ＬＣ一８００立式缠绕机：哈尔滨玻璃钢研究院；　　　　Ｉｎｓｔｒｏｎ８８０３型试验机：英国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司；工业ｘ射　线照相系统。　　　　２．３测试方法　　　　单向复合材料压缩性能按照ＧＢ／Ｔ３８５６－－２００５　　《单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》进行　　　　试验。测试在Ｉｎｓｔｒｏｎ４５０５电子万能实验机上进行，　在压缩试样两侧对称粘贴应变片，得到复合材料的　　　　压缩载荷－应变曲线，再根据公式（１）计算出复合材　料的压缩模量。　　ＡＤ　　　Ｅ／ｄｉｌ　　（）　　　　　　　其中：ｂ为试样宽度，ｍｍ；ｈ为试样厚度，ｍｍ；△　　△　　　Ｐ为载荷增量，Ｎ；Ａ８为与Ｐ对应的纵向应变的　增量。　　　　６１５０ｍｉｌｌ复合材料容器的压缩性能按照ＱＪ１４１２一　—　收稿日期：２０１６－０５２７　本文作者还有姜丽萍。　　　作者简介：严文聪（１９８５－），女，硕士，主要从事高性能树脂基结构复合材料方面的研究。　　２０１６年第１１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　９１　ｗ８８（固体火箭发动机燃烧室壳体轴压试验方法》　　　　　进行试验。测试在Ｉｎｓｔｒｏｎ８８０３型试验机上进行，加　　　载速度为１ｍｍ／ｍｉｎ，容器破坏时的最大载荷为轴压　破坏载荷。　　单向复合材料压缩破坏形貌采用工业ｘ射线　照相系统照相，胶片显影后在观片灯上观察其破坏　形貌。　　　２．４试验件制备　（１）单向复合材料试样制备　单向复合材料层压板采用湿法缠绕工艺制作，　通过调节每种铺层状态下碳纤维和芳纶纤维缠绕带　距，对复合材料的混杂比进行调节，并使复合材料单　向板的厚度基本一致，具体纤维类型及缠绕层次设　　　　计如表２所示，均采用ＲＯ１环氧树脂。　　　表２混杂复合材料铺层参数　　　　　　Ｔａｂｌｅ２Ｓｔａｃｋｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｙｂｒ　　ｉｄｃｏｍｐｓｉｔｅｓ　　Ⅲ　　　　注：Ｆ代表芳纶纤维；Ｃ代表Ｉ＇８０ｏ碳纤维。　缠绕完成待层压板预凝胶后在压机加压固化，　℃　℃℃　固化工艺为６０／２ｈ＋１１０／３ｈ＋１５０／２ｈ。单向　复合材料层压板固化脱模后在水切割设备上按标准　　尺寸加工压缩试样，然后在压缩试样两端夹持区分　别粘贴铝加强片。　　（２）４，１５ｏｍｍ轴压容器制作　　　ｄ，１５０ｍｍ轴压容器在ＳＫＣＬ．５００型四维缠绕机　　　上缠绕成型，具体步骤分为芯模制作、金属连接裙制　　　作、裙内缠绕、裙装配、裙外缠绕、固化成型。混杂复　　　合材料轴压容器缠绕时采取层间混杂方式，安装金　　　Ⅲ　属裙之后，在连接区进行芳纶纤维补强。分别制ⅢⅢ　　　作芳纶、芳纶／碳纤维混杂（＝４６％）、碳纤维　　　轴压容器各三件，采用自制Ｒ０１环氧树脂，固化制　　度同层压板固化制度。　　３结果与讨论　　　３．１纤维混杂对单向复合材料压缩性能的　影响　　芳纶ｍ／Ｔ８００碳纤维混杂单向复合材料的压缩　　　　　　性能测试结果如表３所示。当碳纤维相对含量为　　　２８．５％时，混杂复合材料压缩强度和压缩模量可分　　　　Ⅲ　别达到４３９．６ＭＰａ、８８．６ＧＰａ，比单纯芳纶纤维复　　合材料压缩强度和模量分别提高了５７％和２０．９％；　　当碳纤维含量为５０％时，压缩强度和模量分别提高　了８４．１％、３１．０％。随着混杂比的增加，混杂复合材　料压缩强度和压缩模量仍逐渐增大，碳纤维混杂可Ⅲ　以有效提高芳纶纤维复合材料的压缩性能。这主　要是因为碳纤维刚性较大，混杂复合材料受到一定Ⅲ　压缩应力时，芳纶纤维首先发生屈曲，碳纤维仍可　　Ⅲ　承受压应力，因此碳纤维与芳纶纤维混杂可以在　Ⅲ　很大程度上弥补芳纶纤维刚性不足的缺点。　　Ⅲ　表３碳纤维／芳纶混杂复合材料纵向压缩性能　　　　　　　Ｔａｂｌｅ３Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ　　　　ｃａｒｂｏｎ／ａｒａｍｉｄＩＩＩｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　３．２纤维混杂对单向复合材料压缩破坏模　　式的影响　Ⅲ　Ⅲ　　　　选取芳纶纤维、芳纶／碳纤维混杂２（＝　　５０％）复合材料，通过宏观形貌和ｘ射线成像技术　　对其压缩试样破坏模式进行了对比。从两种复合材　　Ⅲ　　料压缩破坏宏观形貌可以看出，芳纶纤维复合材　“　”　　　　　　料为屈曲失稳破坏，出现４５。折曲带，纤维未断　裂，ｘ射线成像检测显示复合材料开裂分层严重；芳Ⅲ　纶／碳纤维混杂复合材料破坏模式表现为混合破　　　　坏，宏观形貌未发生明显屈曲，试样未断开，ｘ射线　成像检测显示纤维屈曲程度和分层开裂现象较芳纶Ⅲ　　　纤维复合材料显著降低，有少量纤维断裂。碳纤　　维复合材料压缩破坏模式表现为脆性破坏，试样完　　　全断裂。ｘ射线成像检测结果见表４。　　Ⅲ　表４芳纶及其混杂复合材料压缩破坏　　　　形貌Ｘ射线照相结果　　　　　　Ⅲ　Ｔａｂｌｅ４Ｘ－ｒａｙｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃａｒｂｏｒｔ／ａｒａｍｉｄ　　ｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　　苎混比　ｘ射线照相　　材料／％………　一　　　　芳纶！Ｉ１０　纤维屈曲严重，有大量开裂分层　　　　　“”　　混杂２５０．０未发生明显屈曲，少量开裂分层，少量纤维断裂Ⅲ　芳纶纤维及其混杂碳纤维复合材料的压缩性能研究　　２０１６年ｌ１月　　　　３．３纤维混杂对￣ｂ１５０ｍｍ复合材料容器轴　压性能的影响　根据单向混杂复合材料压缩性能结果，混杂比　为５０％时，压缩强度提高幅度较大，因此综合考虑　　４，１５０ｍｍ容器缠绕层次设计需要，最终设计了混杂　　比为４６％的混杂复合材料容器进行轴向压缩试验。　　　不同纤维增强的ｔｈｌ５０ｍｍ复合材料容器的轴压性　　能如表５所示。　　　　表５轴压试验数据　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ５Ｔｅｓｔｉｎｇｄａｔａｏｆｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ…　篡～料…　～料　　　破坏１＃　２＃　３　　　　　　　　　　　１＃２＃３＃１＃２＃３＃　　　　　　　　　　载荷１２７．５１００．９１２２．６１４２．４１４８．７１２４．７１９９．６２０７．８２０８．０　／ｋＮ　平均　：１１７．０　　平均：１３８．６　　平均：２０５．２　Ⅲ　由表５可以看出，芳纶复合材料的平均轴压　　　　　破坏载荷为１１７．０ｋＮ，混杂复合材料（＝４６％）的　　　轴压破坏载荷为１３８．６ｋＮ，碳纤维复合材料的平均　　　轴压破坏载荷为２０５．２ｋＮ，混杂复合材料轴压破坏Ⅲ　　载荷比芳纶复合材料提高１８．５％，但是仍然低于　根据混合定律计算得到的理论轴压破坏载荷（１５７．６　　ｋＮ），表现为混杂负效应Ｊ。这主要是因为芳纶纤　维和碳纤维两种复合材料本身的压缩强度和模量相　　差较大（见表３），层间混杂复合材料承受一定压缩　　　载荷后，芳纶纤维层首先失稳，进而影响碳纤维层压　　缩性能的发挥。此外，根据表３单向复合材料压缩　　　　性能研究结果，混杂复合材料６１５ｏｍｍ容器的轴压　破坏载荷提高幅度明显低于单向复合材料的压缩强　　　度提高幅度，这是由于ｔｈ１５０ｍｍ容器缠绕层包括纵　　　　向缠绕层和环向缠绕层两部分，而抗轴压性能主要　由纵向缠绕复合材料层保证。纵向缠绕层纤维方向　与轴压载荷方向存在一定角度（纵向缠绕角），混杂　复合材料碳纤维层作为纵向层对容器抗压性能的贡　献受到影响，因此复合材料容器的抗轴压载荷增幅　小于单向复合材料的纵向压缩强度的增幅。　　　　３．４纤维混杂对６１５０ｍｍ复合材料容器轴　　　压破坏模式的影响Ⅲ　对比分析了芳纶复合材料、混杂复合材料、碳Ⅲ　纤维复合材料轴向压缩破坏的宏观形貌，芳纶及　　　其混杂复合材料容器外部环向一圈纤维断裂，封头　与筒段连接处复合材料出现裂纹，说明裙连接部位Ⅲ　仍是芳纶及其混杂复合材料容器轴向压缩破坏的　薄弱区；而碳纤维复合材料容器从简身处开裂严重，　说明其轴压破坏为脆性破坏。　　　　图１所示为三种复合材料￣ｂ１５０ｍｍ容器轴压　　　Ⅲ　　试验过程中的载荷一位移曲线。芳纶复合材料载　　　　　　　荷一位移曲线到达第一个拐点后，裙连接处出现裂　纹，之后仍呈波动上升趋势，达到最高点后波动下　降，直至容器破坏；混杂复合材料载荷一位移曲线到　　达第一个拐点后开始上下波动，最大载荷与第一个　Ⅲ　拐点处载荷水平持平，且与芳纶复合材料相比拐　点变得尖锐，主要是由于混杂复合材料中引人了脆　　　性的碳纤维所致；碳纤维复合材料载荷－位移曲线到　达顶点后，碳纤维容器开裂，压缩载荷迅速下降，表Ⅲ　明芳纶纤维及其混杂复合材料容器轴压破坏时表　　现为局部铺层失效破坏引，而碳纤维复合材料容器　　轴压破坏时表现为脆性破坏。　ｏ　１　２　３　４　５　６　压缩位移／ｍｍⅢ　（ａ）芳纶纤维复合材料　０　１　２　３　４　５　６　压缩位移／ｍｍ　（ｂ）纤维混杂复合材料∞　　　　∞　　∞　　∞　　∞　　∞　　　　　加Ｏ加　　Ｎ）Ｉ，蟮嫌幽　　２０１６年第ｌ１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　９３　蚕　榷　镊　赣　幽　０．０　５　１．０　１．５　２．０　２．５　　压缩位移／ｍｍ　　（ｃ）碳纤维复合材料　　　图ｌ轴压载荷．位移曲线　　　　　Ｆｉｇ．１ＬｏａｄＶＳｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　４结　论Ⅲ　（１）碳纤维混杂可以有效提高芳纶纤维复合　　材料的压缩性能。芳纶ｎｌ／Ｔ８００碳纤维混杂复合材　　　　　料的压缩强度和模量随混杂比（）的增大而增加，　　　当为２８．５％时，混杂复合材料单向板压缩强度比Ⅲ　　芳纶纤维复合材料提高了５７％，压缩模量提高　　了２０．９％；Ⅲ“　（２）芳纶纤维复合材料压缩破坏模式为屈”　曲失稳破坏，Ｔ８００碳纤维复合材料压缩破坏模式　Ⅲ　为脆性断裂，芳纶／Ｔ８００碳纤维混杂复合材料压　缩破坏模式为混合破坏，纤维屈曲程度和分层开裂Ⅲ　现象较芳纶纤维复合材料显著改善；　（３）芳纶ｌｌＩ／碳纤维混杂复合材料４　　，１５０ｍｍ容　　　　　器（＝４６％）的轴向压缩性能达到１３８．６ｋＮ，比芳Ⅲ　　　纶纤维复合材料４，１５ｏｉＴｌｎｌ容器的轴压性能提高　　了１８．５％，但是仍低于混合定律计算得到的理论轴　　压破坏强力（１５７．６ｋＮ），表现为混杂负效应。　参考文献Ⅲ　［１］刘庆备，梅李超，柴新平．影响芳纶复合性能主要因素的探讨　［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００９，４（３４）：２２－３１．Ⅲ　　［２］朱文苑．国产芳纶纤维表面改性研究［Ｄ］．北京：航天四院硕　　士论文，２００８．　［３］邓杰，刘建超，成敏苏．复合材料裙用纳米改性高模量环氧树脂　　研究［ｊ］．粘接，２００８（８）：１Ｏ・ｌ３．　［４］郑亚萍．高模量树脂基体及高抗压复合材料的研究［Ｄ］．西安：　西北工业大学博士论文，２００１．　［５］曾金芳，乔生儒，丘哲明，等．Ｆ一１２芳纶纤维混杂复合材料纵向　　压缩性能研究［Ｊ］．航天制造技术，２００３（４）：９－１３．　　［６］曾金芳，王庭武，丘哲明．Ｆ．１２／ＣＦ混杂复合材料纵向拉压性能　研究［Ｊ］．宇航材料工艺，２００１（１）：１９・２２．　［７］王明鉴．固体火箭发动机复合材料壳体承载能力理论与实验研　　究［ｃ］／／中国宇航学会固体火箭推进２４届年会．２００７．　［８］雷勇军，唐国金，卓曙君，等．复合材料圆柱壳失稳载荷的振动　　监测［Ｊ］．实验力学，２００３（３）：３８３－３８８．　［９］徐红玉，王燕霜，陈殿云，等．固体火箭发动机复合材料壳体破　坏分析及优化［Ｊ］．河南科技大学学报，２００５（２６）：８－１１．　　　　　　　Ⅱ　　’　　　　　ＳＴＵＤＹｏＮＣｏＭ口Ｅ．ＲＥＳＳＩｏＮＰＲＯＰＥＲＴＹＯＦＡＲＡＭＩＤｍＦＩＥＲＡＮＤＩＴＳＨＹＢＲＤＣｏＭ口Ｅ，ｏＳｎＳ　—　—　—　　ＹＡＮＷｅｎｃｏｎｇ，ＺＥＮＧＪｉｎｆａｎｇ，ＬＩＣｈａｏｙａｎｇ，ＬＥＩＴａｏ　　　　　　　　（ＸｉａｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）　　　Ⅲ　　　Ⅲ　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｒａｍｉｄｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｃａｒｂｏｎ／ａｒａｍｉｄｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｎｄｃａｒｂｏｎ　　　　　　　　　　　　　　　ｆｉｂｅｒ（ＣＦ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆ４，１５０ｍｍｓｈｅｌｌｓｉｎｔｈｅｓｅｃｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｌｓｏｔｅｓｔｅｄ．　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｍｏｄｕｌｕｓｏｆｈｙｂｒｉｄｃ０ｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ＣＦｖｏｌｕｍｅ（Ｆ）．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｍｏｄｕｌｕｓｏｆｈｙｂｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｍｐｒｏｖｅｉｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｂｙ５７％ａｎｄ　　　　　　　　　　２０．９％ｗｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｖｏｌｕｍｅｏｆＣＦｉｓ２８．５％．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔ　　　　　　　ｈｅａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆａｒａｍｉｄＩＩＩｆ　　ｉｂｅｒｓｈｅｌｌｓ．　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆ１５０ｍｍｓｈｅｌｌｓ（Ｆ＝４６％）ｒｅａｃｈｅｓｕｐｔｏ１３８．６ｋＮａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｂｙ１８．５％．　　　　　Ｎｏｎｅｔｈｅｌｅｓｓ，ｉｔｓｔｉｌｌｓｈｏｗｓｍｉｎｕｓｅｆｆｅｃｔ．　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒａｍｉｄ１１１ｆ　　　　ｉｂｅｒ；Ｔ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ