玄武岩/碳纤维混杂三维正交复合材料拉伸性能研究

李婉婉 汪进前 盖燕芳 邓成浩 李朝利

摘 要：以玄武岩纤维、碳纤维为原料，设计出5种不同混杂比的三维正交织物，利用真空辅助成型工艺制备了乙烯基酯树脂基混杂复合材料，对其拉伸性能进行了测试，重点分析玄武岩纤维在织物中所占比例对复合材料拉伸性能的影响。结果表明：在纤维总体积分数一定的情況下，随着混杂织物中玄武岩纤维所占比例的增大，复合材料的拉伸强度先增大后减小，拉伸断裂伸长率逐渐增大，弹性模量逐渐减小，经向整体拉伸性能优于纬向。纤维的混杂比及其性质决定了混杂三维机织复合材料的断裂机制，通过调节纤维混杂比可以充分发挥各种纤维的优势和特点，设计出满足不同需求的材料。

关键词：三维正交织物;混杂比;复合材料;拉伸性能

中图分类号：TS143.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）02-0001-05

Abstract：Five kinds of basalt/carbon hybrid 3D orthogonal fabric composites with different hybrid ratios were designed. The hybrid composite material of vinyl ester resin was prepared by vacuum assisted resin infusion， and the tensile property was tested. The effect of hybrid ratio of basalt fiber in the fabric on the tensile property of composites was analyzed. The results showed that， under the certain total volume fraction of fibers， with the increase of basalt fiber ratio in the fabric the tensile strength of composites first increased and then decreased; the elongation at break gradually increased， and elasticity modulus declined gradually; the overall tensile property at the warp direction was superior to that at the weft direction. The hybrid ratio and properties of fibers determined fracture mechanism of the hybrid 3D woven composite materials. The advantages and features of various fibers can be fully developed through adjusting hybrid ratio of fibers. Thus， the materials meeting different requirements can be designed.

Key words：3D orthogonal fabric; hybrid ratio; composite material; tensile property

传统的纤维增强复合材料由于结构内部层间约束只依靠基体，导致其Z向上强度低，在受载时容易造成分层失效[1-2]。三维正交复合材料层与层之间有Z向纱的约束，提高了材料的稳定性、层间性能、抗冲击性和各个方向上强度的均匀性，克服了传统层和复合材料的缺陷，是纺织复合材料发展的重要方向[3]。当前，已有的研究主要探讨了纯三维正交复合材料的性能，对混杂三维正交复合材料的研究还需要进一步发展。混杂纤维复合材料是指由两种或两种以上的纤维增强同一种基体而形成的复合材料[4]。混杂纤维复合材料不仅可以充分发挥不同增强材料的性能优势，增加了材料的可设计性，还可以降低材料的成本，在工程领域有极大应用潜力[5-7]。

玄武岩纤维是21世纪符合生态环境要求的绿色新材料，因此对其复合材料的研究具有非常重要的意义。玄武岩连续纤维具有优异的物理、化学性能，比如耐腐蚀性、电绝缘性、热稳定性及与材料良好的兼容性，而且性价比十分优越，完全可以满足对复合材料增强体的性能要求，因此玄武岩纤维的应用日益增加，在一些工程领域内逐渐代替玻璃纤维、芳纶等增强纤维[8]。碳纤维具有众多优良的性能，但某些性能也存在缺陷，例如抗冲击性差，断裂伸长率小，抗剪切模量低，这些缺陷限制了它的应用范围。如果将两种纤维进行混杂，则可以综合利用两种纤维复合材料的性能优点，通过取长补短获得性能更优异的材料[9]。

本文以玄武岩纤维和碳纤维为三维正交复合材料的增强纤维，从两者不同混杂比及其不同排列结构的角度设计出5种玄武岩纤维/碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料，研究了复合材料的拉伸性能，这将对于拓展玄武岩/碳纤维混杂三维机织复合材料的结构分析、优化设计和实际应用提供实验依据和理论参考，具有实际意义。

1 实 验

1.1 实验材料

玄武岩纤维（线密度464 tex，四川航天拓鑫玄武岩有限责任公司），碳纤维（线密度800 tex，海宁安捷复合材料有限责任公司），乙烯基树脂890（上海科拉斯复合材料有限公司），固化剂甲乙酮（上海科拉斯复合材料有限公司），催化剂异锌酸钴（上海 科拉斯复合材料有限公司）。纤维及树脂的力学性能如表1所示。

1.2 制作工艺

1.2.1 机织制作工艺

5种三维正交织物，经纬纱均采用玄武岩/碳纤维为原料，采用半自动织机实现织造过程。其组织参数设计如下：预设织物小样的幅宽和经纬密分别为25 cm和50根/10 cm，每筘齿穿2根纱线，5种正交混编织物参数如表2所示，织物结构示意图如图1所示。图1（a）代表纯碳纤维（PCF），图1（b）代表三层碳纤维/一层玄武岩纤维（1BF），图1（c）代表二层碳纤维/二层玄武岩纤维（2BF），图1（d）代表一层碳纤维/三层玄武岩纤维（3BF），图1（e）代表纯玄武岩纤维（PBF）。为了方便研究，结接纱均使用韧性较好的玄武岩纤维。

1.2.2 复合材料成型

本实验采用真空辅助树脂传递模塑工艺将预制体与树脂基体进行复合成型。首先将树脂、固化剂、催化剂按质量比100∶1∶1进行配制，用搅拌机搅拌均匀，然后在压强为0.8 MPa的条件下将配好的树脂吸入真空袋充分浸润预制件，最后在常温下放置24 h完成固化。样品尺寸（长×宽×厚）为250 mm×250 mm×2 mm，采用称重法[10]计算得到复合材料的纤维体积含量为（65±1.5）%[11]。

1.3 拉伸测试

根据GB/T 1447—2005[12]标准，对三维混杂正交复合材料进行经向和纬向拉伸性能测试。拉伸仪器采用Instron3382电子万能试验机，夹头的加载速度为2 mm/min，隔距为10 cm。试样用切割机切割成25 mm×250 mm×2 mm的矩形。在试样粘接面正负45°打磨，使用环氧胶粘接贴增强铝片，目的是提供一个合适的加持面、传递载荷给下面的被测材料以及保护试样的外层纤维。根据三维织物中玄武岩纤维所占比例的不同，将试样分为5组，每组经纬向各5个试样。拉伸性能测试得到位移载荷曲线，根据式（1）、式（2）、式（3）计算得到拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。

2 结果与讨论

2.1 混杂比例对材料拉伸强度的影响

5种三维混杂正交机织复合材料的经纬向拉伸强度性能。

碳纤维复合材料和玄武岩纤维复合材料的经向拉伸强度分别为425.01 MPa和205.65 MPa，纬向拉伸强度分别为364.92 MPa和164.11 MPa;当玄武岩纤维所占总纤维比例分别为26.5%、49.8%和74%时，混杂复合材料的经向拉伸强度分别为436.87 MPa、376.34 MPa和306.58 MPa，緯向拉伸强度分别为387.12 MPa、329.18 MPa和259.94 MPa。这说明混杂工艺明显改善了玄武岩纤维复合材料的拉伸强度[13]。

随着玄武岩纤维在织物结构中所占比例增加，复合材料的拉伸强度有所上升，至1BF时复合材料拉伸强度达到最大值[14]。随着玄武岩纤维在织物结构中所占比例的继续增加，复合材料的拉伸强度逐渐下降，在经纬向均为玄武岩纤维时复合材料拉伸强度达到最小值。拉伸强度上升的原因主要有3个方面：a）玄武岩纤维表面能要优于碳纤维，与乙烯基酯树脂浸润性好、粘结强度高，玄武岩纤维/碳纤维混编织物与乙烯基酯树脂的界面性能要优于纯碳纤维织物复合材料，界面性能的优化提高了材料的拉伸强度;b）在乙烯基酯树脂基体强度和模量基本不变的前提下，玄武岩纤维的加入提高了增强体的断裂延伸率，也会提高复合材料的拉伸强度;c）复合材料韧性的增加，使其阻挡裂纹扩展的能力提高，玄武岩纤维/碳纤维层间混杂纤维复合材料展现出分级断裂性质，有利于强度的增加[15]。然而，碳纤维的强度明显高于玄武岩纤维，随着玄武岩纤维在织物结构中所占比例的增加，碳纤维的强度优势表现出来，拉伸强度逐渐下降。对比复合材料经向和纬向的拉伸强度可以看出，两者的变化趋势相似，均是先上升后下降，整体经向拉伸强度大于纬向拉伸强度。这是因为三维织物的经纱和纬纱两两相互垂直交织，在理想状态下经纱和纬纱呈直线状态分布，织造时采用的经纬密度相同，但是在经向上还有结接纱的存在，增加了纵向上的织物密度，造成经向拉伸强度大于纬向拉伸强度。

2.2 混杂比例对材料断裂伸长率的影响

5种三维混杂正交机织复合材料的经纬向断裂伸长率性能。

碳纤维复合材料和玄武岩纤维复合材料的经向断裂伸长率分别为2.2%和5.4%，纬向断裂伸长率分别为1.9%和5.2%;当玄武岩纤维所占总纤维比例分别为26.5%、49.8%和74%时，混杂复合材料的经向断裂伸长率分别为2.7%、3.5%和4.3%，纬向断裂伸长率分别为2.4%、3.0%和4.1%。这表明混杂工艺使碳纤维复合材料的断裂韧性得到了明显改善[5]。

随着玄武岩纤维在织物结构中所占比例增加，复合材料的拉伸断裂伸长率逐渐增大。这是由于复合材料的断裂伸长率由玄武岩纤维、碳纤维和乙烯基酯树脂的断裂伸长率共同决定的。5种结构的纤维总体积分数相同，因此基体树脂的含量也相同，可以不做考虑。复合材料的断裂韧性由纤维的断裂韧性来决定，而玄武岩纤维的断裂伸长比碳纤维大，因此，玄武岩纤维含量越大，复合材料的断裂伸长率越高。对比复合材料经向和纬向的断裂伸长率可以看出，两者的变化趋势相似，均是逐渐增大，整体经向断裂伸长率大于纬向断裂伸长率。这是因为三维织物的经纱和纬纱在理想状态下都呈直线状态分布，仅纵向的结接纱呈弯曲状态，在拉伸实验中，纵向对拉伸应力的缓冲能力强，造成经向的断裂伸长率大于纬向的断裂伸长率。

2.3 混杂比例对材料弹性模量的影响

5种三维混杂正交机织复合材料的经纬向拉伸弹性模量性能。

碳纤维复合材料和玄武岩纤维复合材料的经向弹性模量分别为44.82 GPa和13.2 GPa，纬向的弹性模量分别为40.73 GPa和10.5 GPa;当玄武岩纤维所占总纤维比例分别为26.5%、49.8%和74%时，混杂复合材料的经向弹性模量分别为41.71 GPa、35.98 GPa和24.6 GPa，纬向弹性模量分别为38.65 GPa、29.12 GPa和21.4GPa。这表明混杂工艺使玄武岩纤维复合材料的弹性模量明显提高。

随着玄武岩纤维含量的增加，复合材料的弹性模量呈现减少趋势，玄武岩纤维含量越高，减少的速度越快。这是由于碳纤维本身的弹性模量远远大于玄武岩纤维弹性模量，因此，玄武岩纤维含量的增加使复合材料的弹性模量减少[14]。混杂材料1BF与PCF的弹性模量相差不大，玄武岩纤维的加入提高了增强体的断裂延伸率，使复合材料抵抗裂纹失稳扩展的能力提高，具有良好的变形性能和强度性能。对比复合材料经向和纬向的弹性模量可以看出，两者的变化趋势相似，均是逐渐减小，整体经向弹性模量大于纬向弹性模量。这是因为三维织物在经向上还有结接纱的存在，实验中结接纱均采用玄武岩纤维，韧性好的玄武岩纤维可以阻挡裂纹扩展进而延缓破坏的发生，从而使材料具有良好的变形性能和强度性能。

2.4 试样断裂模式

三维混杂正交机织复合材料的拉伸断裂特性为：测试开始阶段，拉伸载荷作用于复合材料，基体首先受到来自外界的力开始变形，并消除在固化中形成的受压状态。它将力迅速传递给起增强作用的纤维材料，复合材料表现为弹性变形，在载荷位移曲线上表现为载荷随位移的增加线性增加;随着测试的进行，拉伸载荷逐渐增大，树脂与纤维同时变形。当达到一定程度时，弹性模量低的基体开始产生裂纹，裂纹迅速扩展向纤维和树脂的界面，造成了纤维与树脂的剥裂。此时，断裂伸长较小的碳纤维阻止树脂断裂的发展，强度主要由纤维来体现[16]。由于玄武岩纤维具有较好的断裂韧性，当随机断裂的碳纤维层形成的裂纹扩展至玄武岩纤维层时，裂纹的扩展受到限制;随着测试的继续进行，拉伸位移超过了玄武岩纤维的断裂伸长，玄武岩纤维层逐渐断裂直至试样从中部断裂，拉伸载荷急速下降，材料完全被破坏[17]。可见，玄武岩纤维/碳纤维层间混杂纤维复合材料展现出分级断裂性质，具有良好的形变和强度。由于三维正交复合材料具有良好的整体性，材料被破坏后并未出现分层现象。试样断口附近表层断裂不规则，有大量纤维被抽拔，纤维和树脂发生脱粘破坏，研究并提高界面性能可以改善脱粘现象[18]。

3 结 论

本研究自行设计并制作完成了5种不同混杂比的玄武岩/碳纤维三维混杂正交机织复合材料，并对其拉伸性能和断裂模式进行了研究，结果表明，5种结构的拉伸性能随玄武岩纤维含量变化而变化。随着玄武岩纤维在材料中所占比例的增加，混杂复合材料的拉伸强度先增大后减小，断裂伸长率逐渐增大，弹性模量逐渐减小，经向整体拉伸性能优于纬向。玄武岩纤维占总纤维比例为26.5%时的复合材料的拉伸强度最高，混杂工艺有利于改善玄武岩纤维复合材料的拉伸强度和碳纤维复合材料的断裂韧性。材料被破坏后并未出现分层现象，说明混杂三维正交复合材料具有良好的整体性能。随着玄武岩在材料中所占比例的增加，混杂复合材料呈现从脆性断裂向塑性断裂过渡的特征，而且表现出分级断裂性质，说明玄武岩/碳纤维三维混杂正交机织复合材料具有良好的形变和强度。在生产中，可以通过调节混杂比来实现不同的性能需求。

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