炭/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸性能实验研究

孙 颖，李涛涛，郑园园，张国利，陈 利

(天津工业大学 先进纺织复合材料天津市和教育部共建重点实验室，天津 300387)

炭/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸性能实验研究

孙 颖，李涛涛，郑园园，张国利，陈 利

(天津工业大学 先进纺织复合材料天津市和教育部共建重点实验室，天津 300387)

设计制备了Z向纱为芳纶纤维、经纬纱为炭纤维和经纬纱间隔排列芳纶纤维与炭纤维的混杂织造的2种炭/芳纶混杂正交三向织物增强环氧树脂复合材料，采用基于全场位移的数字图像相关(DIC)方法，进行了其材料级拉伸性能试验，通过与炭纤维、芳纶纤维2种非混杂的正交三向复合材料对比，分析了炭/芳纶混杂方式对复合材料拉伸性能的影响。实验结果表明，经纬纱采用炭纤维，Z向纱为芳纶纤维的混杂正交三向复合材料面内拉伸模量和断裂强度最大，断裂伸长率和泊松比较高；接下来的复合材料拉伸模量和强度从高到低依次是非混杂的炭纤维复合材料、经纬纱采用炭纤维和芳纶间隔排列的混杂复合材料和非混杂的芳纶纤维复合材料。因此，按比例合理布置炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料，可实现强度和韧性的折衷设计。

炭/芳纶混杂复合材料；正交三向；数字图像相关法；拉伸性能

0 引言

正交三向复合材料是典型的三维织物增强复合材料，它与传统铺层复合材料相比，具有失效应变高、断裂功高、缺口敏感性低[1-2]及层间性能好、抗冲击、耐疲劳、结构整体性好、可设计性强、织造成本低等优点。炭/芳纶混杂织物增强复合材料既保留了炭纤维的高强度、高刚度，又可发挥芳纶纤维延伸率较高、强度高、断裂韧性好的优势[3-4]，拓展了复合材料的使用范围，广泛用于航空商用飞机、直升机、压力容器、汽车部件、运动器材等领域。

炭/芳纶混杂正交三向复合材料集材料和结构优势于一身。国内外学者对2种纤维增强同一种树脂的混杂正交三向复合材料力学性能开展了大量的研究。周冬春等[5]研究了多层经纬纱混织的层间混杂和层内混杂2种玄武岩/芳纶混杂正交三向复合材料的拉伸和剪切性能。结果表明，层内混杂复合材料归一化拉伸强度和初始模量分别比层间混杂复合材料高22%和17%，剪切强度和剪切模量分别高20%和26%。钱元等[3]测试了炭/玻璃纤维层内混杂正交三向复合材料经向拉伸性能，发现层内混杂在保证正交三向结构整体性的同时，提高了复合材料的拉伸模量与强度。姚澜等[6]研究了两层玻璃纤维/六层芳纶、四层玻璃纤维/四层芳纶、六层玻璃纤维/两层芳纶共3种玻璃纤维/芳纶层间混杂正交三向复合材料的拉伸性能。结果表明，增加芳纶纤维混杂比例，复合材料比强度和比模量显著提高。Munoz等[7]制备了经纬纱分别采用玻璃纤维和炭纤维，Z向纱为高强度聚乙烯纤维的混杂正交三向复合材料，研究其经纬向拉伸性能及拉伸断裂失效机理。发现，炭纤维过早的断裂，导致了玻璃纤维对复合材料强度的贡献没有被充分利用，玻璃纤维增加了材料的断裂应变和能量消耗；同时，开孔拉伸实验证明了混杂正交三向复合材料具有缺口不敏感性。

在复合材料中，纤维束交织结构和纤维束混杂会给复合材料引入显著的局部应变，而数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)方法是有效的全场位移和应变定量测量方法。因此，本文采用DIC方法研究Z向纱为芳纶纤维，经纬纱为炭纤维和经纬纱间隔排列芳纶纤维与炭纤维的混杂织造的2种炭/芳纶混杂正交三向织物增强环氧树脂复合材料经向拉伸性能，与炭纤维、芳纶纤维2种非混杂的正交三向复合材料对比，研究混杂方式对复合材料拉伸性能的影响，分析混杂正交三向复合材料拉伸断裂机制，为不同种类纤维混杂织造的正交三向复合材料的性能设计和拓展应用提供可靠的实验结论和初步的理论依据。

1 实验

1.1 试样制备

所用纤维为日本东丽炭纤维T700-12K、T400-6K和美国杜邦1580dtex芳纶纤维Kevlar49，树脂体系为天津晶东TDE 86#环氧树脂，固化剂为甲基四氢苯酐，促进剂为N，N-二甲基苄胺，纤维及树脂的力学性能如表1所示。

表1 纤维及树脂力学性能[8-9]

2种炭/芳纶混杂正交三向织物和非混杂炭纤维、非混杂芳纶纤维正交三向织物均由4层经纱和5层纬纱在面内互相成90°伸直排列，Z向纱沿经向贯穿织物厚度将经纬纱连成一个稳定的整体，经密、纬密和Z向纱密度均为5 根/cm，经纱与纬纱的纤维体积含量之比为0.8∶1。4种正交三向织物结构见图1。图1中，HZK代表经纬纱为炭纤维，Z向纱为芳纶纤维；HCK代表经纬纱间隔排列芳纶纤维和炭纤维，Z向纱为芳纶纤维；NHC代表非混杂炭纤维；NHK代表非混杂芳纶纤维。

采用树脂传递模塑成型工艺(RTM)制备正交三向复合材料平板大样，TDE#86环氧树脂、固化剂、促进剂质量配比为100∶85∶1，固化制度为130 ℃/2 h-150 ℃/1 h-160 ℃/6 h-180 ℃/1 h。大样尺寸(长×宽×厚)为380 mm×180 mm×4 mm，采用称重法[10]计算得到复合材料的纤维体积含量为(52±1.6)%。

1.2 拉伸实验

参考国标GB/T 1447—2005[11]，对复合材料进行经向拉伸性能测试。从复合材料大样中裁取板条型试样尺寸为250 mm×25 mm×4 mm，每组5个试样，试样两端贴50 mm×25 mm×2 mm的铝制加强片。采用黑白2种颜色的喷漆对试样表面进行均匀制斑处理，便于DIC系统识别，见图2。DIC系统通过在试样表面选取具体的点，跟踪这些点在测试过程中的位移，即图像中同一像素点的位置记录该像素点的位移向量，通过分析多个像素点的位移向量，得到整个分析区域的全场位移[12-13]。在试样表面，附有一个50 mm长的虚拟应变计，用来获取该区域的平均应变[14]。

利用岛津250 kN万能材料试验机和DIC测试系统进行拉伸试验(见图3)，试验机夹头加载速率为2 mm/min，DIC测试系统采集图像频率为1 Hz。通过材料试验机记录的载荷值及DIC系统记录的全场位移，计算得到应力-应变曲线、拉伸强度、0.05%～0.25%应变下的拉伸模量、断裂伸长率及泊松比。泊松比为虚拟应变计区域中纬向应变与经向应变的比值。

2 实验结果及分析

实验中，所有试样均在工作区段发生失效。4种正交三向复合材料典型试样的应力-应变曲线见图4。从图4可看出，4种复合材料的加载失效过程均表现出了良好的线性，失效应变范围为1.8%～2.0%。

4种正交三向复合材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率和泊松比的平均值及拉伸性能柱状图见表2和图5。通过比较发现，复合材料的拉伸强度和模量由大到小依次为经纬纱为炭纤维，Z向纱为芳纶纤维的混杂复合材料、非混杂炭纤维复合材料、经纬纱间隔排列芳纶纤维与炭纤维的混杂复合材料、非混杂芳纶纤维复合材料。2种混杂复合材料的断裂伸长率和泊松比相近，非混杂炭纤维和非混杂芳纶纤维复合材料泊松比相近，但断裂伸长率后者为4种材料中最高。

复合材料拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂伸长率/%泊松比HZK1027．7950．171．870．042HCK735．9938．561．850．043NHC920．9649．051．770．036NHK497．8426．831．990．035

比较2种混杂正交三向复合材料的拉伸性能发现，经纬纱为炭纤维，Z向纱为芳纶纤维的混杂复合材料拉伸强度和模量分别比经纬纱间隔排列芳纶纤维与炭纤维的混杂复合材料高39.6%和30.1%。这是因为与经纱中混入一定比例芳纶纤维的后者相比，前者的经纱均为炭纤维，炭纤维的拉伸强度和模量均高于芳纶纤维。因此，经纱承受经向载荷的能力提高，使得材料的拉伸强度和模量大幅增加。

比较经纬纱为炭纤维，Z向纱为芳纶纤维的混杂复合材料和非混杂炭纤维复合材料的拉伸性能，前者的拉伸强度和模量分别比后者提高了11.6%和2.3%。因为在拉伸过程中，Z向纱试图伸直，产生沿厚度方向的压力，能够抑制分层裂纹向两边传播，延误经纱的破坏和劈裂进程。由于前者中Z向纱为芳纶纤维，其断裂伸长率大于炭纤维。所以，当后者的Z向纱断裂后，前者的Z向纱仍在发挥作用，进一步延误经纱的破坏，使得前者的拉伸强度和模量大于后者。

DIC测试系统能够监测试样在视域内的整个加载过程并得到全场位移。4种复合材料典型试样正反面拉伸破坏形貌及应变0.25%水平下和断裂前的应变分布见图6，图示部分为工作区段中100 mm×20 mm区域内的应变分布。应变0.25%水平下的云图中，沿纬向有规律分布的蓝色斑点为复合材料中Z向纱与纬纱的交织点，相邻2行交织点之间的区域为树脂通道(两根纬纱之间的空间)。4种试样在交织点附近均出现红色点状高应变区域，这是因为Z向纱在交织点处改变走向，交织点附近存在一定程度的富树脂区，当试样表面层树脂承受载荷时，富树脂区产生应变集中。此时，树脂开始产生初始裂纹。

随着载荷的增加，Z向纱在受力过程中试图伸直，交织点附近应变集中加剧，初始裂纹沿着树脂通道加速向两边传播，纤维与基体界面逐渐脱粘，最终这些裂纹在树脂通道中沿纬向汇合连接在一起。因此，在试样断裂前的应变云图中，高应变区域沿树脂通道成连续曲线分布。由于图6(a)和6(c)中经纱均为炭纤维，断裂伸长率小，拉伸过程中试样变形程度小，所以高应变区域沿树脂通道呈平缓的“波浪形”曲线分布；图6(b)和6(d)经纱中芳纶纤维含量较高，断裂伸长率大，纤维抽拔严重，拉伸过程中试样发生较严重的变形，高应变区域沿树脂通道呈曲线分布的弯曲程度较大。在DIC测试系统视域内监测到了NHK-05试样的最终断裂位置并在云图中标出。

观察图6中试样的宏观拉伸破坏形貌发现，(a)和(c)都发生脆性断裂，断口整齐，断口附近炭纤维与基体界面脱粘，经纱层与纬纱层出现局部分层；(b)的经纱中炭纤维与芳纶纤维间隔交替排列，含量相近，炭纤维发生脆性断裂，芳纶纤维从基体中抽拔出来，且缠结在一起，因此断口呈现出“钟乳石”状的破坏形貌；(d)的断口处，由于芳纶纤维断裂伸长率较高，且具有韧性，因此纤维断裂之后，仍互相缠结抱合在一起，纤维抽拔严重。

3 结论

(1)混杂方式为经纬纱采用炭纤维，Z向纱为芳纶纤维的混杂正交三向复合材料的拉伸性能最好，呈现正混杂效应，即拉伸性能优于非混杂炭纤维正交三向复合材料。混杂方式为经纬纱间隔排列炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料的拉伸性能比非混杂炭纤维正交三向复合材料差，呈现负混杂效应。

(2)增加芳纶纤维的体积含量，复合材料的断裂伸长率增加，而拉伸强度和模量降低。

(3)通过全场应变测试系统发现，材料的断裂破坏发生在某一薄弱的高应变区域。

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(编辑：刘红利)

Experimental study on tensile properties of carbon/Kevlar hybrid 3D orthogonal composites

SUN Ying，LI Tao-tao，ZHENG Yuan-yuan，ZHANG Guo-li，CHEN Li

(Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Tianjin and Ministry of Education， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Two kinds of carbon/Kevlar hybrid 3D orthogonal fabric reinforced epoxy composites that z yarn is Kevlar fiber,warp and weft yarn are carbon fiber and Kevlar fiber and carbon fiber are interval arranged in warp and weft yarn were designed and fabricated in this paper.The tensile properties of four kinds of composite materials were tested and analysed using digital image correlation method(DIC)based on full field displacement,and the effect of carbon/Kevlar hybrid ways on tensile properties of 3D orthogonal composites was investigated through comparing with single carbon fiber and single Kevlar fiber 3D orthogonal composites.The results show that the in-plain tensile modulus and fracture strength of hybrid 3D orthogonal composites made of carbon fiber in warp and weft,Zyarn with Kevlar fiber are the biggest,break elongation and Poisson’s ratio are higher;the tensile strength and modulus following from high to low are non-hybrid carbon fiber composites,hybrid composites with Kevlar fiber and carbon fiber being interval arranged,non-hybrid Kevlar fiber composites.Hence,the reasonable arrangement of carbon fiber and Kevlar fiber at the proportion for hybrid 3D orthogonal composites can achieve the compromise in design of the strength and toughness.

carbon/Kevlar hybrid composites；3D orthogonal；digital image correlation method；tensile properties

2015-10-14；

2015-11-10。

国家自然基金青年科学基金(11102133)；国家质量监督检验检疫总局项目(201210260)。

孙颖(1974—)，女，教授，研究方向为纺织结构复合材料制备与性能。E-mail：sunying@tjpu.edu.cn

李涛涛(1989—)，男，硕士，研究方向为纺织复合材料结构设计与力学性能。E-mail：litaotaoqd@163.com

V258

A

1006-2793(2017)01-0085-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.01.015