纤维混杂增强复合材料的制备及其抗冲击性能研究

孔春凤，田 伟,b，刘双双，翁浦莹，陷 鹏，祝成炎,b

(浙江理工大学,a.现代纺织加工技术国家工程技术研究中心；b.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州 310018)

纤维混杂增强复合材料的制备及其抗冲击性能研究

孔春凤a，田 伟a,b，刘双双a，翁浦莹a，陷 鹏a，祝成炎a,b

(浙江理工大学,a.现代纺织加工技术国家工程技术研究中心；b.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州 310018)

采用玄武岩纤维、玻璃纤维和丙纶长丝为原料，讨论了玄武岩/丙纶包缠复合线和玻璃纤维/丙纶包缠复合纱线的制备，以及由复合线制成的不同纤维混杂比例和不同组织结构的预制件经热压成型的纤维混杂复合材料的制备，并测试了纤维混杂复合材料的抗冲击性能。试验结果表明：随着丙纶体积分数的增加，复合材料的抗冲击性能呈现出先增强后减弱的趋势，其中当丙纶体积分数为59%时，复合材料的抗冲击性能最好；平纹、3D正交结构、3D准正交以及3D角联锁结构的复合材料中，平纹预制件的复合材料的抗冲击性能相对较好。合适的纤维混杂比例和组织结构能很大程度地提高复合材料的抗冲击性。

丙纶长丝；复合线；模压成型；复合材料；抗冲击性能

纤维混杂复合材料是由两种或两种以上纤维作为增强体的复合材料，从20世纪70年代以来就得到了广泛的研究与应用[1]。纤维混杂复合材料不仅保留了单一纤维复合材料的优点，进行合理混杂后，纤维之间相互取长补短，匹配协调，更具有了一般纺织复合材料不具备的优异特性[2]。在最近几十年的研究中，纤维混杂复合材料因本身诸多优点而得到越来越多的关注和研究突破[3]。而在本文所研究的玄武岩纤维复合材料中，玄武岩纤维为主要承力组分，它除了减少整体收缩、提高材料的力学强度和弹性模量的作用外，还可提高材料的热变形温度和抗冲击强度，尤其是材料的拉伸强度和抗冲击性能的提高更为明显[4]。

纤维混杂增强复合材料向着多元化和功能化发展[1]。因此对纤维混杂增强复合材料的研究也越来越多，而通过对改变纤维混杂的比例和改变组织结构的复合材料研究还有待进一步深入，本文为了探究这些条件对纤维混杂复合材料的抗冲击性能的影响，制定了相关实验，研究了以热熔性纤维丙纶长丝为基体、玄武岩纤维/玻璃纤维为增强纤维的复合材料的弹道冲击性能，并对实验结果进行了对比分析，制备出合适的玄武岩纤维/丙纶混杂比例和复合材料的组织结构且成型优良、抗冲击性能良好的复合材料，具有一定的实际和应用价值。通过本研究可以得到一种增强纤维与基体丙纶纤维混杂的新方式，抗冲击性能优良、加工工艺简单的复合材料，为丙纶基纤维混杂复合材料的发展提供了理论和技术参考。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验原料：玄武岩纤维(浙江石金玄武岩有限公司)，玻璃纤维(杭州泰克斯复合材料有限公司)，丙纶长丝(绍兴超特合纤有限公司)。原料性能指标如表1所示。

表1 不同纤维原料规格

注：其中玻璃纤维640tex以9股计。

1.2 复合线的制备

本文中复合线的制备是在HKV-101型自动络筒机和HKV151B型花式捻线机上完成。先用玄武岩/玻璃纤维与丙纶长丝并合，然后再用丙纶长丝包缠并合线[5]。其中玄武岩/丙纶复合线是先用594、693、759、792、858tex的玄武岩与100tex的丙纶并合，然后再用100tex的丙纶长丝包缠并合线，形成玄武岩丙纶包缠复合线；玻璃纤维/丙纶复合线是先用640tex的玻璃纤维与100tex的丙纶并合，然后再用100tex的丙纶长丝包缠并合线，形成玻璃纤维丙纶包缠复合线。

1.3 预制件结构设计

预制件在半自动剑杆织机ASL2000-20-E上织造完成[6]。设置了两组实验，一组是针对玄武岩/丙纶混杂纤维的不同复合比例而设计了5种试样，其中玄武岩/丙纶混杂纤维的5种平纹试样经纱是采用693tex玄武岩/200tex丙纶包缠复合线；纬纱是采用丙纶体积分数分别是46%、53%、59%、64%、70%的玄武岩/丙纶包缠纱。另一组是对于预制件的不同组织结构设计了5种试样，这5种试样的组织结构分别是平纹组织、平纹组织、3D正交3层、3D准正交3层、3D角联锁3层。

1.4 复合材料的制备

热熔性纤维和增强纤维混杂纱线研制而成的机织物，只需进行热压处理即可成型，玄武岩/玻璃纤维增强丙纶复合材料的热压成型工艺过程：开始→升温→保温→降温→结束[7]。本文中玄武岩/玻璃纤维增强丙纶机织物是在XLB25-L平板硫化机上进行热压成型。热压模具是自制的，根据实验需要设计的，模具形状为正方形，由上模和下模组成。模压参数：温度220℃，时间60min，压力5MPa。复合材料制备流程见图1。

图1 复合材料的制备流程

1.5 纤维混杂复合材料抗冲击性能测试

复合材料的抗冲击测试以氮气为动力，在弹道侵彻装置上完成。将复合材料裁剪成175mm×175mm，测出子弹在通过复合材料前和通过复合材料后的速度。然后计算出复合材料吸收子弹的动能，换算出复合材料单位面密度吸收能量，进而得出复合材料的抗冲击性能[8]。

2 结果与讨论

2.1 复合线的外观和性能

复合线外观如图2所示。

图2 复合线的外观

由图2可以看到玄武岩/丙纶包缠纱、玻璃纤维/丙纶包缠纱的包覆效果都很好。在玄武岩/丙纶包缠纱中，玄武岩纤维耐磨性差，纱线表面不光滑易产生毛羽，而丙纶长丝的耐磨性好、表面光滑[5]。从而使玄武岩/丙纶包缠纱手感滑爽，包缠纱表面相对光滑，不容易起球，这就大大减少了玄武岩/丙纶包缠纱在后续织造过程中由于摩擦而引起的纱线断头。在玻璃纤维/丙纶的包缠纱中，玻璃纤维的耐磨性差，而丙纶纤维的耐磨性很好，所以包缠纱也能很好地解决预制件织造时因摩擦而纱线断裂的问题。玻璃纤维/丙纶的包缠纱中玻璃纤维的拉伸强度明显强于丙纶纤维，使包缠复合线强度和韧性大大提高，为以后复合材料的抗冲击性能的提高奠定了基础。

2.2 复合材料的形貌

复合材料的形貌如图3所示。由图3可以看出，玻璃纤维/丙纶、玄武岩/丙纶包缠复合线制成的复合材料，丙纶融化后可以很好地将玄武岩纤维和玻璃纤维融合在一起，形成了结构致密、外观良好复合材料。

图3 复合材料的形貌

2.3 不同比例纤维混杂的复合材料的抗冲击性能

抗冲击性能测试是将制成一定尺寸的防弹板，在特定的环境条件下，模拟战场中的实际情况，测试弹体以某一速度击穿靶板时，靶板所吸收弹体冲击能量的多少，可以最直接、最有效地描述靶板防弹性能的好坏[9]。对于693tex玄武岩/200tex丙纶包缠复合线作为经纱，不同混杂比例的玄武岩/丙纶纤维包缠复合线作纬纱制成的复合材料，经过弹道冲击实验后全部打穿。可以测出子弹通过复合材料前的初速度(V0)以及穿透复合材料后的末速度(V1)。利用以下公式计算复合材料的单位面密度能量吸收BPI[9]。

a) 总能量吸收ΔEk

(1)

式中：ΔEk为试样吸收能量即子弹动能损失量(J)；mp为子弹质量(kg)；V0为子弹的入射速度(m/s)；V1为子弹穿靶后的剩余速度(m/s)。

b) 复合材料单位面密度能量吸收(BPI)

Im=ΔEk/ρ

(2)

式中：ρ为靶板面密度(kg/m2)；Im为复合材料单位面密度吸收能量。

不同比例纤维混杂的混合材料的抗冲击吸能曲线如图4所示。

图4 Im随丙纶体积分数的变化曲线

从Im随丙纶的体积分数增加的变化曲线中，可以看出：玄武岩/丙纶复合材料的Im随丙纶体积分数的增加呈现出阶段式的变化，当丙纶的体积分数小于59%时，Im随丙纶体积分数的增大而增大，说明复合材料的抗冲击性能呈现增强的趋势；当丙纶的体积分数大于59%时，复合材料的Im随丙纶体积分数的增大而减小，则说明复合材料的抗冲击性能呈现出减弱的趋势；当丙纶的体积分数为59%时，试样的Im达到最大值，抗冲击性能最强。

通过对复合材料和弹道实验过程分析可知，在玄武岩/丙纶的复合材料中，当丙纶的体积分数小于59%时，随着丙纶体积分数的增加，熔融的丙纶也会增多，玄武岩纤维将会越来越好地被丙纶包覆，从而使复合材料的力学性能和抗冲击性能提高。所以玄武岩/丙纶复合材料中丙纶所占体积分数在46%～59%的这个区间内，呈现出Im随丙纶体积分数增加而增加的趋势，复合材料的强度和韧性也随之增加，当子弹撞击复合材料靶板时，需要消耗更大的动能，才可以将增强纤维的复合材料结构击穿破坏。而当玄武岩/丙纶复合材料中玄武岩纤维的体积分数超过59%时，随着丙纶的体积分数增加，增强纤维玄武岩的体积分数不断减小，复合材料的强度和韧性将会随着增强纤维玄武岩的体积分数的降低而减弱，所以玄武岩纤维所占比例在59%～70%的区间内，复合材料的抗冲击性能呈现出减弱的趋势。

2.4 不同组织结构的复合材料的抗冲击性能

对不同组织结构的复合材料进行了弹道测试，其结果是复合材料均被子弹打穿，但是打穿后子弹的末速度的差别却很大。计算出不同组织结构复合材料的Im值。不同组织结构的复合材料抗冲击吸能曲线如图5所示。

图5 不同组织结构预制件的BPI关系

由图5可以看出：平纹组织的Im最高，超过80J·m2/kg，其抗冲击性能最好；三维正交和三维准正交结构的Im相近，都在72J·m2/kg左右，说明这两种结构的抗冲击性能适中，三维准正交结构略好于三维正交结构；然而，三维角联锁的Im最小，只有56J·m2/kg。

对复合材料结构进行分析可知：平纹组织的复合材料较三维组织而言，平纹组织在结构上只有一层，熔融的丙纶可以更好地将增强纤维包覆起来，对增强纤维有很好的握持能力，这就避免了三维组织结构可能出现的因内部丙纶含量较少致使复合材料结构疏松，其力学强度较小、受冲击时易分离等缺点。并且通过对不同结构的复合材料的面密度计算可以发现，平纹组织的复合材料面密度较三维组织更小，计算得出平纹的Im值更高，因而平纹组织的复合材料具有更好的抗冲击性能。

三维正交结构和准正交结构相似，三个方向的纱线以正交状态配置，纱线在理想状态下呈伸直状态，从而纱线的本身强力得到很好的保留，但由于熔融后的丙纶不易渗入组织结构的层间，因而熔融的丙纶对3D正交和3D准正交结构内部的玄武岩不能很好的包覆，而3D正交和3D准正交相对于平纹组织，又具有较大的面密度，所以其复合材料的Im小于平纹组织。另外，3D准正交结构相比于3D正交结构，其交织结构更为复杂，纱线平行度下降，织物内部存在更多的空隙，丙纶有较多的渗入空间，所以其抗冲击性能稍高于正交组织结构。理论上，由于3D角联锁组织中纱线的屈曲程度较正交组织结构更大，更利于熔融的丙纶渗入其内部结构，增加其力学强度[10]。但在本试验中，由于3D角联锁预制件的厚度较大，会导致复合材料中丙纶不能很好地包覆增强纤维玄武岩，并且子弹在穿越过程中会受到更多的摩擦，因而消耗了更多的动能，而3D角联锁复合材料本身面密度又较大，所以致使其Im值反而较低。

3 结 论

本文通过对玄武岩纤维/丙纶长丝、玻璃纤维/丙纶长丝纤维包缠混杂、复合材料热压成型工艺以及复合材料抗冲击性能的探究，得出以下结论：

a) 纤维混杂比例和预制件的组织结构对纤维混杂复合材料的抗冲击性能有重要的影响。

b) 在玄武岩/丙纶制成的平纹组织复合材料中，随着丙纶体积分数的增加复合材料的抗冲击性能呈现出先增强后减弱的趋势，当丙纶的体积分数为59%时，复合材料的抗冲击性能最好。

c) 在经纱为玄武岩纤维/丙纶长丝、纬纱为玻璃纤维/丙纶长丝制成的不同组织结构的复合材料中，平纹组织的复合材料抗冲击性能最好，三维准正交结构的复合材料的抗冲击性能略好于三维正交结构的复合材料，而三维角联锁的抗冲击性能最低。

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[10] 张 强,金利民,张 岩,等.三维角联锁机织复合材料低速冲击破坏的有限元计算[J].纤维复合材料,2012(3):12-16.

(责任编辑：许惠儿)

Preparation of Hybrid Fiber Reinforced Composites and Study on Its Impact Resistance Property

KONGChunfenga,TIANWeia,b,LIUShuangshuanga,WENGPuyinga,XIANPenga,ZHUChengyana,b

(a.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education; b.Modern Textile Processing Technology National Engineering Research Center, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The basalt fiber, glass fiber and polypropylene filament yarn were used as raw materials. The preparation of basalt/polypropylene filament wrapped composite yarn and glass fiber /polypropylene filament wrapped composite yarn as well as preparation of hybrid fiber composites made through hot press modeling with preformed parts with different fiber hybrid proportions and different organization structures were discussed. in addition, the impact resistance property of hybrid fiber composite was tested. The experimental result shows that the impact property of the composite materials first increases and then decreases as the rise in volume fraction of polypropylene fiber; when volume fraction of polypropylene fiber is 59%, the impact property of the composite materials is the best; among the composites of plain weave, 3D orthogonal structure, 3D quasi-orthogonal and 3D angle interlock structure, the impact property of plain weave preformed composite is relatively good. Appropriate fiber hybrid proportion and organization structure can to a large extent improve impact resistance property of composites.

polypropylene filament yarn; composite yarn; compression molding; composite materials; impact resistance property

2014-11-20

浙江省国际科技合作专项(合作研究)项目(2012C24013)；纺织科学与工程重中之重一级学科2014年学生科研创新计划项目(11110231271302)

孔春凤(1990—)，女，河南商丘人，硕士研究生，主要从事现代纺织技术与新产品方面的研究。

田 伟，Email:tianwei_zstu@126.com

TS101.923;V258.5

A

1009-265X(2015)04-0020-04