纤维复合材料的无纺布层间增韧性研究

沈跃风，胡美群

（禾欣可乐丽超纤皮（嘉兴）有限公司，浙江嘉兴 314003）

纤维复合材料的无纺布层间增韧性研究

沈跃风，胡美群

（禾欣可乐丽超纤皮（嘉兴）有限公司，浙江嘉兴 314003）

随着我国快速发展的材料研究，复合材料受到各方面广泛关注，尤其是在航空等高新科技领域应用愈加广泛。其中较为突出的CFRP材料，即碳纤维增强树脂基复合材料因其特殊的优势，在航空航天器应用上，得到了大量应用，以其轻量化、强度高等优点，降低了燃油成本。在改善材料层间结构方面，由于层间力学性能和纤维铺层性能较为薄弱，出现分层损伤概率较大，会降低整体材料的力学性能。为改善这种局面，可以引入离位增韧技术，采用尼龙无纺布（PNF）作为增韧层，可大幅度增强复合材料的韧性。

纤维复合材料；无纺布；增韧性

1 无纺布层间增韧性研究

1.1 无纺布层增韧性

1.1.1 静电纺丝技术

PEK-C、PSF及PA-66纳米纤维无纺布可以通过静电纺丝技术获得，这些材料可大幅增强复合材料的断裂韧性。但在复合材料面内引入PEK-C容易导致力学性能下降。为改善上述缺点，近年来针对纳米纤维无纺布的研究逐渐成为了热点。该材料具备高孔隙率、整体性和连续性等特征，便于树脂的流动浸渍。

1.1.2 纺黏法

纺黏法可以用来纺织尼龙无纺布。尼龙无纺布是增韧材料首要选择。在复合材料层间引入改材料可以形成一种非反应的热固一热塑双连续结构，不仅可以增强复合材料层间韧性，还可以防止出现溶解带来的问题。对技术制备来说，北京航空材料研究院提出了一种层间“离位”增韧液态成型技术，与常用的预浸料热压罐工艺相比较，这种技术实现了CFRP复合材料制备技术的升级式发展，大幅度增强了复合材料层间韧性和制备工艺。

1.2 无纺布层增韧性机理

Hojo等采用扫描电子显微镜及光学显微镜研究了不同的增韧机理。在不同增韧剂环境条件下，获得试验环境内的裂纹路径变化情况。与传统的薄膜增韧法相比较，因为较为光滑的薄膜表面，导致纤维与树脂层间的韧性较差，在纯树脂部位极易产生开裂现象。对于没有进行增韧的纤维树脂层间，由于该部位力学性能不强，导致该出萌生的裂纹持续变化并增长。在裂纹增长过程中，在层间纤维表面约束力作用之下，不会开裂扩散。

1.3 尼龙无纺布成型过程

尼龙无纺布由纺黏法制备而成，与传统插层增韧原理相比较，该方法可以深入层间树脂内部伸出，有效搭接纤维束，在纤维树脂层间构成PNF树脂层、CF与PNF界面的共同增韧部位，有效提高复合材料的层间韧性，提高复合材料的各项力学性能。在载荷影响作用之下，B型内部的裂缝较多位于PNF夹层及CF与PNF界面部位。A型内部裂纹较多出现在PNF树脂夹层。

2 纤维复合材料的无纺布层间增韧性研究

2.1 A型复合材料双悬臂梁弯曲试验

2.1.1 试验规范

参照国家标准GB/T1843—2008《悬臂梁冲击强度的测定》进行A型复合材料的双悬臂梁弯曲试验。

2.1.2 试验材料和设备

采用CMT4204材料试验机研究CFRP的A型层间双悬臂梁弯曲性能，试验设备有试验机、测微计、量规、模塑和挤塑材料。

2.1.3 试验过程

通过使用CMT 4204型材料试验机对预制裂纹端上下表面黏接的铰链加载。试验采用位移控制的加载方式，加载速率为2mm/min。在扩展裂纹约20mm时，加载停止并回车，记录此时的载荷位移曲线及裂纹长度αi。然后，位移载荷继续施加，当产生新的裂纹约10mm时，卸载。重复上述步骤直到裂纹扩展总长度达到100mm。试验结果有效的标准是裂纹长度αi值位于45～100mm。

计算A型无纺布层间断裂韧性公式如下所示：

公式（1）中：m为每个试样的柔度曲线拟合系数；pi为加载最大载荷，i=1，2，…n；δi为位移距离，i=1，2，…n；αi为加载前的裂纹长度，i=1，2，…n。由此可得：

公式（2）中：k为有效测量单个试样结果个数，Qi=pi/δi计算A型断裂韧性结果如图1所示：

2.1.4 试验证明与分析

如图1所示，在复合材料层中引入尼龙无纺布离位增韧层，可大幅提高复合材料层间韧性。尼龙无纺布层增韧性的较大程度增强了A型复合材料断裂韧性能与载荷承载性能。通过采用该增韧手段，A型材料的GAC从321.1J/m2提高到670.9J/ m2，与此同时A型断裂的峰值载荷从75.38N增加到98.54N。

图1 试样GAC试验结果

2.2 B型复合材料切口韧性试验

2.2.1 试验规范

参照国家标准GB/T2358-1994《裂纹尖端张开位移试验方法》进行B型复合材料的断裂韧性试验。裂纹尖端张开位移试验法（CTOD）采用三点弯曲测试试样的变形几何关系。

2.2.2 试验材料和设备

采用CMT4204材料试验机研究CFRP的B型层间断裂韧性，试验设备有试验机、刀口、夹式电子引伸计。

2.2.3 试验过程

在0°的单向板内，B型层间断裂韧性（GBC）是滑移型层间裂纹若纤维方向扩展的临界能量释放率。在在两个跨距为100mm水平支座上放置试样，左支座距预制裂纹端15mm，距离另一端右支座25mm。支座与试样的接触面为圆柱形，加载头位于两支座中间。通过控制位移加载方式，加载速率是2mm/min，设置试验结束的条件为定力衰减40%。

计算B型断裂韧性如公式（3）所示：

图2 试样GBC试验结果

2.2.4 试验结果与分析

CFRP的B型层间断裂韧性的计算结果如图2所示。尼龙无纺布层增韧性的较大程度增强了B型复合材料断裂韧性能与载荷承载性能。通过该种增韧手段，CFRP的B型层间断裂韧性GBC从1 293.0J/m2增加到3 945.0J/m2，峰值载荷从1 292.84N提高到2 349.61N。

[1] 朱国伟.纤维复合材料的无纺布层间增韧分析[D].济南：山东大学，2013.

[2] 张朋，刘刚，胡晓兰，等.结构化增韧层增韧RTM复合材料性能[J/ OL].复合材料学报，2012，（4）.

S t u d y o n T e n s i l e T o u g h n e s s o f N o n-w o v e n F a b r i c s o f F i b e r C o mp o s i t e s

Shen Yue-feng，Hu Mei-qun

With the rapid development of materials in China，composite materials are widely concerned by all aspects，especially in aviation and other high and new technology applications more widely.Among them，the more prominent CFRP materials，namely carbon fi ber reinforced resin matrix composites，have been widely used in aerospace applications because of their special advantages，and have the advantages of light weight and high strength，which reduces the fuel cost.In improving the interlayer structure of the material，due to the interlayer mechanical properties and fi ber laying performance is relatively weak，there is a greater probability of stratif i cation damage，will reduce the overall mechanical properties of the material.To improve this situation，can be introduced from the toughening technology，the use of nylon non-woven（PNF）as a toughening layer，can greatly enhance the toughness of composite materials.

f i ber composite material；nonwoven fabric；toughening property

TB33

B

1003-6490（2017）08-0068-02

2017-06-06

沈跃风（1981—），男，浙江海盐人，工程师，主要研究方向为超细纤维皮革的研究与应用。