玄武岩纤维多轴向经编增强复合材料力学性能研究

2019-07-05王朋勃朱文斗胡晓娜曹雪飞

山东化工 2019年12期

王朋勃，朱文斗，胡晓娜，曹雪飞

(内蒙古工业大学轻工与纺织学院,内蒙古呼和浩特 010080)

与传统材料相比，纤维增强聚合物复合材料(FRP)具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度与比模量[1-3]，近年来被广泛应用于桥梁等重要基础设施的加固与增强[4-7]。结合玄武岩纤维的特点，用环氧树脂制备玄武岩纤维复合材料，其性能远高于钢材，且成本低于其他纤维和钢材，直接提高了工件的稳定性耐用性和经济效益[8-9]。

本文以玄武岩纤维单轴向、双轴向、四轴向经编织物为增强体，环氧树脂为基体，通过VARTM工艺实现复合材料成型。测试复合材料的拉伸性能和弯曲性能，对比研究三种轴向经编复合材料沿不同轴向的力学性能。

1 试验部分

1.1 试验材料与工艺

(1)成型工艺：采用VARTM工艺成型多轴向经编复合材料，利用真空负压原理将树脂浸润织物，固化成型。

(2)基体：选用上纬(天津)风电材料有限公司生产的E-2511环氧树脂。2511-1A环氧树脂与2511-1BT固化剂质量比为100∶ 30。

(3)增强体：选用单轴向、双轴向、四轴向经编布，其中单轴向布为90°方向，实验原材料为玄武岩纤维无碱无捻粗纱，具有良好的机械性能。玄武岩纤维的性能参数如表1，三种玄武岩经编布增强体参数如表2所示，实物图见图1。

表1 玄武岩纤维性能参数

表2 玄武岩经编布增强体参数

图1 增强体实物

1.2 试样制备

分别用4层单轴向经编玄武岩纤维织物(同向铺放)、2层双轴向经编玄武岩纤维织物( 同向铺放) 和1层四轴向经编玄武岩纤维织物，在真空度为-0.095 MPa 且保压效果良好时进行基体灌注，灌注完成后在常温下固化48 h，得到三种复合材料试样。

1.3 拉伸试验

拉伸实验参照GB/T1446-2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》、GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，沿0°和90°方向制备250mm×25mm的试样。分别对双轴向、四轴向经编复合材料试样进行拉伸性能测试，由于单轴向经编织物特殊的结构形态导致沿0°方向不具备研究价值，所以仅研究90°方向。实验仪器使用的是WDW-100KN型微机控制电子万能试验机，将拉伸试样沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，加载速度为2mm/min，直至试样断裂。根据拉伸载荷-位移数据绘制应力-应变曲线，进而可以确定材料的拉伸强度和弹性模量。

1.4 弯曲试验

弯曲实验参照GB/T2567-1995、GB/T2570-2005以及GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，采用三点加载简易支梁法进行，在0°和90°方向制得130mm×15mm的试样。实验仪器使用的是WDW-100KN型微机控制电子万能试验机，加载速度为1mm/min,直至试样破坏或达到预定挠度。根据弯曲载荷-位移数据绘制弯曲应力-挠度曲线，进而可以确定材料的弯曲强度、弹性模量。

实验采用无约束支撑，通过三点弯曲，实验示意如图1所示，在实验中试样下表面受到拉伸，上表面则受到压缩。

图2 三点弯曲示意图

2 实验结果与分析

2.1 拉伸性能

表3 拉伸性能参数

图3 试样0°方向拉伸应力-应变曲线

如表3所示，复合材料拉伸测试数据得出拉伸强度、模量的大小关系为沿0°方向双轴向的拉伸强度比四轴向高28.13%，沿90°方向单轴向拉伸强度比双轴向高22.94%，比四轴向高58.64%。如图3、图4所示，少轴向的经编复合材料比多轴向经编复合材料表现出更优异的拉伸性能，主要受增强体织物组份纱线束的细度和数量影响。当复合材料试件某一方向受到拉伸载荷时，与轴向拉伸方向平行的纱线束为主承力结构，其他轴向上的纱线束不受力或呈相互交错的结构，在复合材料拉伸时只起到支撑的作用，因此会出现轴向越少的经编复合材料拉伸强度越大的结果。

图4 试样90°方向拉伸应力-应变曲线

2.2 弯曲性能

表4 弯曲性能参数

图5 试样0°方向弯曲应力-挠度曲线

图6 试样90°方向弯曲应力-挠度曲线

如表4所示，复合材料弯曲测试数据得出弯曲强度、模量的大小关系为沿0°方向双轴向的弯曲强度比四轴向高10.59%，沿90°方向单轴向的弯曲强度比双轴向高21.02%比四轴向高63.46%。如图5、6所示，少轴向的经编复合材料比多轴向经编复合材料表现出更优异的弯曲性能，主要受增强体纱线束的细度、数量及纱束间的排列结构影响。与弯曲载荷轴向方向相垂直的纱线束为主承力结构，弯曲实验中起支撑作用的纱线束在承受弯曲载荷时，可以发挥"均衡载荷"的作用。当轴向越多时，起支撑作用的纱线束排列越复杂载荷承受能力反而下降，导致弯曲强度减小越严重，因此会出现轴向越少的经编复合材料弯曲性能越好的结果。