自加热玻璃纤维织物增强复合材料的性能测试与分析

王建坤，蒋晓东，郭兴峰

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

0 前言

玻璃纤维织物增强复合材料的增强相是玻璃纤维织物，是整个复合材料的力学性能主要承载者，不饱和聚酯树脂是复合材料的基体相[1]，作用是保护玻璃纤维织物不受磨损和受力变形，维持复合材料的形态和力学性质。玻璃纤维织物增强复合材料的耐冲击性能好、高弹力、高模量、绝缘性好、耐腐蚀性好、重量轻、阻燃性好和强度高等特点，被广泛用于船艇、电子电气、风能、航空航天、军事国防、化工化学、基础设施、建筑房屋、汽车、工业用齿轮和运动器材等领域[2]。

在遇到暴雪天气或寒流的情况下，飞机有可能发生机翼和机身表面结冰的现象，给人们的安全出行和生命安全造成很大的威胁。2006年6月3日，中国空军的一架空警-200预警机在安徽东部坠毁，经调查发现坠机原因是飞机机翼结冰，如图1是因冰雪天气而导致的机翼结冰[3]。2012年4月2日，一架ATR-72支线客机在俄罗斯明州坠毁，事故调查委员会根据黑匣子中的飞行数据和目击者的反映情况，证实了飞机坠机的原因是飞机起飞前没有做好除冰雪工作，如图2所示。

图1 飞机的机翼结冰[4]

图2 ATR-72支线客机坠机[5]

目前，飞机的机翼和机身广泛采用了复合材料，很多建筑物采用膜织物作为建筑材料，如体育场馆的顶棚等，它是一种织物增强的柔性复合材料。为了使这些复合材料具有除冰除雪的功能，将加热元件分布在复合材料中，当在寒冷环境中出现结冰或积雪时，可通过加热去除冰雪。玻璃钢是一种应用最为广泛的树脂基复合材料，本课题以这种复合材料为对象，赋予其加热的功能，研究它的加热特性及加热对复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

1100tex玻璃纤维、6K碳纤维、Φ0.09mm康铜丝、196不饱和聚酯树脂。

1.2 自加热玻璃纤维织物增强复合材料的制备

1.2.1 自加热玻璃纤维织物的织造

相对于有机纤维而言，玻璃纤维具有耐高温性好、不燃烧、抗腐蚀性好(对强酸和强碱有良好的抗阻作用)、隔热性好、隔音性良好、断裂强度高(与相同类型钢丝相比，玻璃纤维的断裂强度远远高于钢丝)、绝缘性好等特点[6-7]，被广泛应用于建筑、航空等领域。玻璃纤维可以作为增强材料织成复合材料板，使其具有良好的性能。

康铜丝是以铜镍为主要成分的电阻合金制成的丝状材料，其电阻温度系数比较低，可适用的温度范围为480℃以下，可用来作为电阻丝和电子元件使用，因为其表面具有绝缘处理，所以使用时不容易发生短路，本实验将康铜丝作为加热元件与玻璃纤维交织成织物，与不饱和聚酯树脂混合做成带加热功能的复合材料。

碳纤维是一种含碳量高达95%以上的高强度、高模量的纤维材料。其抗拉伸强度在3500Mpa以上，是相同截面钢材的7～10倍，且重量轻，与钢铁相比，密度只有钢铁的1/4，耐久性好[8-10]，面对化学腐蚀、恶劣环境和气候变化的影响，碳纤维性能的变化较小。碳纤维具有良好的导电性、导热性和强度，可作为复合材料的加热丝。另外，碳纤维的电热转换率约100%，碳纤维的升温速度非常快，通电4分钟便接近温度峰值，因此，被广泛应用于复合型材料制备。

玻璃布、碳纤维织物常采用平纹、斜纹、缎纹等组织，平纹织物中的经纱和纬纱的波峰点都在表观平面中，为零结构相，织物的表面均匀平齐、经纬纱相互挤压程度大、牢固耐磨性优良。与斜纹、缎纹织物相比，平纹织物的交织点多且均匀，其经纬纱间的作用力较大，所以平纹织物质地坚牢、表面平整。另外，平稳织物的织造过程简单，便于玻璃纤维经纱的梳理，有助于织物的织造顺利织造。因此，本实验选择的织物组织是简单平纹织物。

研究对比了相同功率下不同玻纤比(分别是1:1、1:2、1:3)的复合材料，实验发现玻纤比是1:3的复合物的加热效果较好[11]，因此，选择6K碳纤维和康铜丝作为纬纱按1：3比例连续织入织物，如图3为玻璃纤维纬纱(黑线)和加热丝纬纱(红线)在织物中排列规律。

图3 加热丝与玻璃纤维纱1:3比例分布

为了比较不同加热丝的复合材料的力学性能和热学性质，实验共设计了三种织物，纯玻璃纤维织物1块，6k碳纤维作加热丝的织物3块，康铜丝作加热丝的织物3块。织物的幅宽为20cm，匹长为27cm，小样机的筘板号数为55，经纱选择每筘一入，纬纱密度为20根/10cm。各样品织物的参数如表1所示。

表1 织物种类及参数

本实验是在小样织机上完成，根据织物参数对小样织机进行调整，调整好上机工艺参数，便可以进行整经、穿综、穿筘、织造工序，实验的织物上机图如图所示。根据上机图，在小样织机上输入纹板图。上机图如下页图4所示。

图4 织物上机图

1.2.2 自加热玻璃纤维织物复合材料的制备

本实验试剂的选择是196不饱和聚酯树脂，环烷酸钴作为促进剂和过氧化甲乙酮作为引发剂[12]，选择促进剂和引发剂的比例各为2.0%。实验发现，调制的树脂溶液质量与玻璃纤维织物的质量比为0.5:1.0时，树脂溶液不足以完全覆盖玻璃织物；当该比例是1.0:1.0时，树脂的量刚好可以完全覆盖玻璃织物。因此，选择树脂质量与玻璃纤维织物质量的比例为1.0:1.0较为合适。

首先，用天平秤量出玻璃纤维织物的重量(质量为80g)，再用天平称取80g的树脂，称量环烷酸钴和过氧化甲乙酮各1.6克，环烷酸钴与过氧化甲乙酮不能同时相加，同时相加会发生爆炸。因此，先往树脂溶液中加环烷酸钴，充分搅拌后再加过氧化甲乙酮[13]，使其均匀混合。

然后，将一块表面干净的玻璃板铺上平整光滑的塑料纸，先在塑料纸上涂一层与玻璃纤维织物等大的树脂溶液，将织物平放在上面，再用调好的树脂均匀地涂在织物上，直到织物全部且均匀地浸润(呈透明状态)，再用一张塑料纸铺在织物上，用刮板将织物中的气泡全部挤出，从而保证复合材料的平整和力学性质的稳定。

最后，在复合材料板上在压一张玻璃板，3小时之后，便可以将复合材料板取出，进行下一块复合板的制作。制作成的三种复合板如图5所示，图中的三块板依次是以纯玻璃纤维织物增强复合材料、以6K碳纤维为加热丝的玻璃纤维织物增强复合材料和康铜丝为加热丝的玻璃纤维织物增强复合材料。

图5 三种复合材料

1.3 自加热玻璃纤维织物增强复合材料的性能的测定

1.3.1 复合材料的加热性能测定

对复合材料进行热学性质测试时，首先要对复合材料板的加热丝的接头进行处理，如用火机烧掉康铜丝的绝缘层和碳纤维接头中混合的树脂，外接电流来测试复合材料板的导电性。用万能表测出复合板的电阻，选择不同功率外接到复合材料上，然后每隔10分钟用红外测温仪测量复合板的温度，总结出自加热复合材料在不同功率下，其温度随时间的变化。

为了保证准确的测量到复合板的温度分布，测量点应尽量平均分布在复合板的各个部分，做到尽量便于操作，数量合适且具有说服性。因为实验做的复合材料板是长方形，所以利用对角线法[14]，将9个测量点的平均值视为平均温度，测量点的分布如图6所示。

图6 测量点的分布

1.3.2 复合材料的力学性能测定

将3块加热丝为康铜丝的复合材料板、3块加热丝为6K碳纤维的复合板和1块纯玻璃纤维复合材料板(1号板)取来，其中，2号板不做任何处理，3号板在功率为20W下通电30分钟，4号板在功率20W下通电60分钟，将5号板不做任何处理，6号板在功率为20W下通电30分钟，7号板在功率为20W下通电60分钟，6块带加热功能的复合板的参数如下页表2所示。

表2 6块复合板的参数表

为了测量自加热玻璃纤维织物增强复合材料的力学性能，根据GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》的要求，将7块复合材料板用样条切割机沿经纱方向切成长250mm和宽25mm的样条(每块复合板切6块样条)。复合材料板的拉伸性能测试是在INSTRON5969万能强力机进行的，在进行测试之前，要对样条进行防摩擦处理，在样条的两端安装加强片(长5cm宽3cm)[15]，如图7所示，再对INSTRON5969万能强力机进行测试参数设定，具体测试参数如表3所示。在拉伸过程中，万能强力机相连的电脑就会记录样条的各个时间段的拉伸应力、最终的断裂强度、最大载荷、弹性模量和断裂伸长率，其中断裂强度、断裂伸长率和拉伸弹性模量的公式如下。

(1)拉伸应力(断裂强度)按式1计算：

(1)

式中：σ——拉伸应力，单位为兆帕(MPa)；

F——屈服载荷或最大载荷，单位为牛顿(N)；

b——试样宽度，单位毫米(mm)；

d——试样厚度，单位为毫米(mm)。

(2)试样断裂伸长率按式2计算：

(2)

式中：ε——试样断裂伸长率，%；

ΔLb——试样拉伸断裂时标距L0内的伸长量，单位为毫米(mm)；

L0——测量的标距，单位为毫米(mm)。

(3)拉伸弹性模量按式3计算：

(3)

式中：E——拉伸弹性模量，单位为兆帕(Mpa)；

ΔF——载荷-变形曲线上的初始直线段的载荷增量，单位为牛顿(N)；

ΔL——与载荷增量ΔF相对应的标距L0内的变形增量，单位为毫米(mm)。

图7 样条安装加强片的示意图

测试条件相对湿度/%温度/℃夹具长度/cm宽度/mm拉伸速度(mm/min)测试参数502315252

2 结果与分析

2.1 自加热玻璃纤维织物增强复合材料加热性能分析

为了选择合适的外接电压与功率，实验对康铜丝的可承受功率范围进行测试。康铜丝的表面过了一层绝缘漆，因此在测试之前用火机将康铜丝接头的绝缘漆烧掉，将长度为100cm的康铜丝接到电源(已经调到实验电压)上，观察康铜丝的变化。实验发现，当电源的电压值为40V(P为20W)，康铜丝的绝缘漆无明显变化且表面微热[16]；当电源的电压值为57V(P为40W)，康铜丝的绝缘漆颜色加深且表面发烫；当电源的电压值为69V(P为60W)，康铜丝的绝缘漆烧毁，开始变红冒烟。综合分析，选择康铜丝的可承受功率为0～60W/m。对复合材料板的电阻值测定如下页表4所示。

表4 各块复合板的电阻值

为了探究复合材料板在不同功率下的温度变化，实验选取了以6k碳纤维和康铜丝为加热丝的复合板各3块，分别通上60V、40V、20V的电压，测试复合板在不同电压下的温度变化。首先将电源调到目标电压值接到复合板上，然后每隔10分钟用红外温度仪测量各个测量点的温度，然后将数据进行整理和画图分析，每次实验都应将复合板放置一段时间，待复合板的温度达到常温后再进行下一次实验。如图8所示，在不同电压下，两种不同加热丝的复合材料温度随时间变化的比较，通过对比，可以得出两种复合材料的加热性能的差异。

图8 两种复合板温度随时间变化的比较

由实验结果可知，在不同电压下，复合板所达到的最高温度不同，电压越高(即功率越高)，复合板达到的最高温度越高；复合板的温度随时间的变化是先迅速增加接近最高值，再缓慢地达到最高值，30分钟后，复合板的温度基本无变化；在相同电压下，加热丝为康铜丝的复合材料达到的最高温度略高于碳纤维复合材料。

2.2 自加热玻璃纤维织物增强复合材料的力学性能分析

自加热玻璃纤维织物增强复合材料用于制作飞机的机身和机翼，在实际应用中，需要复合材料具有承受外力(如拉伸、剪切、弯曲等)的作用而不发生自身的力学性能的损伤，更需要其在通电加热后依然能保持力学性能的稳定[17]，本课题主要通过测量不同加热时间复合材料板的拉伸性能，来分析出加热对其力学性质的变化。

2.2.1 复合材料的测量数据与分析

用万能强力机分别测量三种不同加热时间的带有加热丝的复合材料和纯玻纤复合材料。将各块复合材料的最大载荷和拉伸弹性模量的平均值绘制柱状图如图9和图10所示，图9和图10表示两中加热丝在不同通电时间下的最大载荷变化和弹性模量变化，其中横线代表纯玻纤织物复合材料。

图9 复合材料的最大载荷随通电时间的变化

图10 复合材料的弹性模量随通电时间的变化

由实验结果可知，(1)随着通电时间的增加，康铜丝复合材料和碳纤维复合材料的拉伸强度都有下降的趋势。没有通电加热的碳纤维复合板的拉伸强度与纯玻纤复合板的拉伸强度相接近，另外，康铜丝复合材料的拉伸强度小于碳纤维复合材料。(2)康铜丝复合材料的弹性模量略高于碳纤维复合材料，通电加热后，两者拉伸弹性模量基本没什么变化，但其弹性模量小于纯玻纤复合材料。

3 结论

本文根据目前国内民用飞机机身和机翼在消除冰雪上存在的问题，探究了自加热玻璃纤维织物增强复合材料的性能，用于解决冰雪天气对飞机安全航行的影响。

(1)介绍玻璃纤维织物的织物组织设计和在小样织机上的织造工序，成功织造出实验需要的两种不同加热丝的玻璃纤维织物和纯玻璃纤维织物，其中，纯玻璃纤维织物1块，带有6K碳纤维纬纱和康铜丝纬纱的织物各3块。将7块织物与不饱和聚酯树脂进行复合制成复合材料板。

(2)在不同电压(功率)下，分别对两种不同加热丝的复合材料进行通电加热实验，探究功率大小对复合板温度的影响和复合板温度随时间的变化。实验发现，通电10分钟内，两种复合板的温度急速升高，通电10到30分钟，两种复合板的温度缓慢增加，通电30分钟后，温度基本不变。通电功率越大，带加热性能的复合板的稳定温度越高；两种带加热丝的复合材料的加热性能良好，具有良好的除雪化冰效果。

(3)探究了两种带加热性能的复合材料的通电耐久试验，在新型万能强力机上，对通电时间不同两种复合材料进行拉伸性能测试，探究通电时间对复合材料力学性质的影响。实验发现，通电时间越长，复合材料的拉伸强度具有下降的趋势，但下降的程度较小，基本不影响复合板的力学性能。另外，碳纤维复合材料的拉伸强度高于康铜丝复合材料，且两者的弹性模量变化不大。

综合分析，6K碳纤维为加热丝的玻璃纤维织物复合材料的热学性质和力学性能较好，可用来制作飞机机身和机翼。