高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲性能研究

高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲性能研究

由于其良好的強(qiáng)度、輕重低價(jià)，且適用于航空航天、船舶制造、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域。紡織結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)織物形式有機(jī)織物、針織物、編織物、非織造布等。針織軸向織物因具有更優(yōu)異的力學(xué)性能而越來(lái)越受到人們的青睞,到目前為止,針織軸向襯紗織物主要以經(jīng)編線圈捆綁為主,該織物雖然具有很好的力學(xué)性能,但其三維曲面成型性能卻并不理想,在這種情況下,緯編雙軸向多層襯紗織物(MBWK織物)應(yīng)運(yùn)而生。緯編雙軸向多層襯紗織物中的襯紗呈完全平行順直狀態(tài),對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)速度快,該類(lèi)織物既充分發(fā)揮了高性能紗線高強(qiáng)高模的特點(diǎn),又充分利用了紗線層間的剪切變形性與針織線圈的可變形性,使織物不但具有優(yōu)異的力學(xué)性能,還具有其它織物不可比擬的三維曲面可成型性能。迄今為止,國(guó)內(nèi)外已有不少對(duì)經(jīng)編軸向織物增強(qiáng)的復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究,而對(duì)緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究尚處于起步階段。本文對(duì)幾種高性能纖維的緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了性能測(cè)試和分析,對(duì)緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。1測(cè)試1.1材料的制備和固化成型試驗(yàn)所用復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)為緯編雙軸向三層襯紗織物,襯紗鋪層結(jié)構(gòu)為外邊兩層襯緯紗,中間一層襯經(jīng)紗,其綁縛結(jié)構(gòu)均采用1+1羅紋組織。試驗(yàn)使用的增強(qiáng)織物共有三種,使用的襯紗材料分別為玻璃纖維、高強(qiáng)聚乙烯纖維、玻璃纖維與高強(qiáng)聚乙烯纖維的層間交織(即襯經(jīng)紗和其中一層襯緯紗為高強(qiáng)聚乙烯纖維,另外一層襯緯紗為玻璃纖維),其綁縛線圈均使用滌綸低彈絲。單種纖維織物增強(qiáng)的層合板由四層織物按相同的方向疊加復(fù)合而成,層間混合織物增強(qiáng)的復(fù)合材料由三層織物按相同的方向疊加而成,固化成型采用RTM成型工藝,即樹(shù)脂傳遞模塑法固化成型。本試驗(yàn)所用樹(shù)脂基體由乙烯基酯樹(shù)脂與固化劑、促進(jìn)劑按照一定的比例配制而成。固化后各試樣的纖維體積含量見(jiàn)表1(綁縛紗的纖維體積含量可以忽略不計(jì))。其中1#、2#試樣分別為玻璃纖維的橫向、縱向試樣;3#試樣為高強(qiáng)聚乙烯纖維的橫向試樣;4#試樣為混合復(fù)合材料中聚乙烯纖維為上層,玻璃纖維為下層的橫向試樣;5#試樣為混合復(fù)合材料中玻璃纖維為上層,聚乙烯纖維為下層的橫向試樣。1.2纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法目前,以緯編雙軸向多層襯紗織物為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)制成的復(fù)合材料,還沒(méi)有與其完全相對(duì)應(yīng)的彎曲性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。我們采用纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則(GB1446-83)和玻璃纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能實(shí)驗(yàn)方法(GB1449-83),即采用三點(diǎn)加載簡(jiǎn)支梁法加工試樣并對(duì)其彎曲性能進(jìn)行測(cè)試,試樣尺寸是相同的,如表2所示。試驗(yàn)儀器為日本津島(SHIMAZU)AG250KNE型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),彎曲的加載速度為2mm/min。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1橫向彎曲性能圖1所示為玻璃纖維緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)的乙烯基酯復(fù)合材料縱、橫向試樣的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)載荷-撓度曲線。由圖1可以看出,玻璃纖維織物增強(qiáng)的復(fù)合材料(1#、2#試樣)在彎曲過(guò)程中,隨著撓度的增大,其載荷基本呈線性增加,材料到達(dá)破壞載荷后,載荷呈“階梯”狀下降。其中橫向試樣在彎曲過(guò)程中,曲線在載荷達(dá)到最大值之前出現(xiàn)波動(dòng),這說(shuō)明在載荷達(dá)到最大載荷之前,試樣就會(huì)發(fā)生部分破壞。試驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn),每個(gè)橫向試樣的彎曲載荷-撓度曲線都呈現(xiàn)出這一現(xiàn)象,說(shuō)明在載荷達(dá)到最大值之前,橫向試樣發(fā)生部分破壞并不是偶然的,而是橫向試樣破壞的一個(gè)特征。由于橫向試樣中承受載荷的纖維主要為緯向纖維,縱向試樣中承受載荷的纖維主要為經(jīng)向纖維,因此,經(jīng)分析可以得出,彎曲載荷-撓度曲線出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因?yàn)?橫向試樣各層增強(qiáng)織物中承受載荷的緯紗分為上、下兩層,在彎曲的過(guò)程中上層纖維首先發(fā)生破壞,然后下層纖維破壞,而縱向試樣中承受載荷的經(jīng)紗只有一層(對(duì)于每層織物來(lái)說(shuō)),大部分同時(shí)發(fā)生破壞。圖2所示為玻璃纖維織物、高強(qiáng)聚乙烯纖維織物與玻璃纖維/高強(qiáng)聚乙烯的層間混合織物增強(qiáng)的復(fù)合材料的橫向彎曲性能曲線。由圖2中可以看出,對(duì)于3#試樣(高強(qiáng)聚乙烯纖維織物增強(qiáng)的復(fù)合材料),其載荷隨撓度呈非線性增加,到達(dá)破壞載荷后,隨撓度的增加,載荷基本不再變化或略有降低。4#試樣(上層為聚乙烯纖維下層為玻璃纖維的層間混合織物增強(qiáng)的復(fù)合材料)在彎曲過(guò)程中與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的曲線類(lèi)似,載荷與撓度呈線性增加,達(dá)到最大載荷后,呈“階梯”狀下降,只是撓度較大。5#試樣(上層為玻璃纖維下層為聚乙烯纖維的層間混合織物增強(qiáng)復(fù)合材料)的載荷-撓度曲線呈線性增加,直到試樣破壞,隨后載荷呈波動(dòng)性下降。另外,我們發(fā)現(xiàn)含有玻璃纖維的復(fù)合材料橫向試樣在彎曲試驗(yàn)中,均在載荷達(dá)到最大值之前出現(xiàn)了波動(dòng)。結(jié)合圖1、2,我們可以得出,含有玻璃纖維的復(fù)合材料,其橫向試樣在試驗(yàn)過(guò)程中,彎曲載荷-撓度曲線在載荷達(dá)到最大值之前均會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。這是由于玻璃纖維是脆性纖維,在受到彎曲載荷時(shí)首先發(fā)生斷裂,而聚乙烯纖維為柔性纖維,不易發(fā)生彎曲斷裂,因此含有玻璃纖維的復(fù)合材料在彎曲過(guò)程中,在載荷達(dá)到最大值之前會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象,而只有聚乙烯纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料不會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。2.2拉伸和彎曲試驗(yàn)檢測(cè)主要表現(xiàn)為一般復(fù)合材料在做彎曲試驗(yàn)時(shí),正面纖維因受到壓縮作用而發(fā)生纖維的屈曲變形甚至斷裂,同時(shí)樹(shù)脂基體也承受了較大的壓應(yīng)力,使纖維/基體界面發(fā)生脫粘,形成肉眼可見(jiàn)的斑痕。在復(fù)合材料的反面,由于受到拉應(yīng)力的作用,有的材料發(fā)生材料分層破壞,有的材料因拉伸而發(fā)生纖維斷裂破壞。1#、2#試樣在彎曲過(guò)程中,其破壞主要表現(xiàn)為正面出現(xiàn)白斑,部分纖維因壓縮作用而發(fā)生斷裂,反面的部分纖維因拉伸和彎曲而斷裂。3#試樣在彎曲試驗(yàn)中,正面因壓應(yīng)力的作用,纖維出現(xiàn)屈曲變形。4#試樣正面(即上層)的聚乙烯纖維發(fā)生屈曲變形,并與基體發(fā)生脫離,反面的玻璃纖維則因拉伸和彎曲作用部分發(fā)生斷裂。5#試樣的破壞主要表現(xiàn)為正面玻璃纖維因受到壓應(yīng)力的作用發(fā)生彎曲變形,導(dǎo)致纖維斷裂,纖維與基體脫層,反面無(wú)明顯的破壞現(xiàn)象。2.3彎曲性能分析經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出,緯編雙軸向襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料具有很好的彎曲性能。由于試驗(yàn)所用的材料纖維體積含量略有不同,為使測(cè)得的數(shù)據(jù)具有可比性,我們分別求出材料的比強(qiáng)度和比模量(即用材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量除以各自的纖維體積含量,得到單位纖維體積含量時(shí)的強(qiáng)度和模量,簡(jiǎn)稱(chēng)為比強(qiáng)度和比模量)。所測(cè)材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量以及比強(qiáng)度和比模量如表3所示。由表3可以看出,就玻璃纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料而言,其橫向彎曲比強(qiáng)度略小于縱向的彎曲比強(qiáng)度,而橫向的彎曲比模量則大于縱向的彎曲比模量。另外比較兩種復(fù)合材料的橫向彎曲性能,我們發(fā)現(xiàn),玻璃纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高強(qiáng)聚乙烯纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料。由玻璃纖維/高強(qiáng)聚乙烯纖維層間混合織物增強(qiáng)的兩種復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量,均介于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能之間,且以聚乙烯纖維為上層的4#試樣的比強(qiáng)度大于上層為玻璃纖維的5#試樣,而比模量則是前者小于后者。3纖網(wǎng)材料的力學(xué)性能(1)不同的材料有不同的破壞模式,主要與其材料有關(guān);(2)對(duì)于單種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料,彎曲比強(qiáng)度為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料大于高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,彎曲比模量為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料大于高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;(3)玻璃纖維/高強(qiáng)聚乙烯纖維層間混合織物增強(qiáng)復(fù)合材料,其比強(qiáng)度和比模量均介于兩單種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間,即小于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,大于聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;(4)層間混合織物增強(qiáng)復(fù)合材料,聚乙烯纖維為上層的復(fù)合材料與玻璃纖維為上層的復(fù)合材料相比,前者的比強(qiáng)度大于后者,