混杂纤维增强环氧树脂复合材料的制备及力学性能

黄 思，张 颖，阎述韬，刘晓峰

（天津城建大学 a.土木工程学院；b.材料科学与工程学院，天津 300384）

复合材料，即两种或两种以上具有不同理化性质的材料以不同结构尺度经空间组合而形成的新材料系统[1]，相比组分材料，复合材料能通过复合效应获得性能的改善，其研究水平已成为衡量一个国家科技发展水平的标志之一[2].在各种各样的复合材料中，纤维增强聚合物复合材料（fiber reinforced polymer，简称FRP）的应用最为广泛.

为了增强复合材料的性能，目前Boger 等人通过填充纳米颗粒，提高了玻璃纤维增强环氧树脂层合板的抗疲劳性能[3]. 代少伟等人利用氧化石墨烯的制备（GO）改性碳纤维/环氧树脂（CF/E54-DDS）混合复合材料，加速了改性树脂体系的固化反应[4].陈杰、卢祉巡制备了玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料，研究了不同层数玄武岩纤维布对复合材料力学性能和断裂韧性的影响.结果表明：玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料具有良好的抗弯强度、冲击强度和断裂韧性[5].洪晓东等人采用偶联剂KH5 对玄武岩纤维（BF）进行改性，研究了表面改性BF 的长度和用量对复合材料力学性能的影响.结果表明：随着BF 长度的增加和添加量的增加，复合材料的力学性能得到改善[6].王海良等人研究了紫外线、疲劳荷载及两者耦合作用下BFRP 布的耐久性，随着耦合作用时间的增加，两种环境耦合作用影响大于单一环境作用影响[7].

混杂纤维增强环氧树脂基复合材料的概念最早由日本的Hayashi 提出并开展研究[8]，其目的是弥补单一纤维增强存在的缺点和不足.混合纤维的组合形式不仅可以弥补单纤维的不足，而且力学性能优良[9].Jalalvand 等人模拟了碳-玻璃复合纤维的断裂模式，建立了纤维束细胞模型，研究了碳-玻璃复合纤维层合板的拉伸和压缩性能[10].雷瑞等人证明碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料不仅具有碳纤维增强树脂基复合材料的高比强度和高比模量，又有玻璃纤维的良好断裂韧性[11].

现如今碳纤维高昂的价格限制了碳纤维增强树脂基复合材料的发展，一些天然纤维在某些性能上接近碳纤维或玻璃纤维，且具有存储量丰富、环保等优点.笔者使用天然玄武岩纤维，与碳纤维、玻璃纤维混杂获得混杂纤维增强环氧树脂复合材料体系，并研究纤维的组成及比例、纤维布的铺层设计等参数对复合材料力学性能的影响.研究内容主要为：以手糊法制备不同种混杂纤维环氧树脂复合材料，通过拉伸试验与弯曲试验对其力学性能进行研究.通过对混杂纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的考察，探究以天然纤维部分替代合成纤维的可行性，在保证复合材料力学性能满足使用要求的前提下，更广泛地使用天然材料，促进材料的绿色化发展.

1 试验材料

1.1 纤维编织布

本试验使用3 种纤维编织布进行层间混杂（纤维布之间进行层叠），包括玻璃纤维布、碳纤维布和玄武岩纤维布，纤维布均为2×2 斜纹编织布，纤维克重均为200 g/m2.

1.2 环氧树脂

本试验采用EL2 环氧积层树脂和AT30 慢速环氧树脂固化剂. EL2 环氧积层树脂和固化剂质量比为10 ∶3.

2 试验设计

2.1 纤维板制备

本试验对混杂纤维增强环氧树脂复合材料进行拉伸试验和弯曲试验，并对其力学性能进行研究，参照纤维增强复合材料力学性能测试标准GB 1447—2005 设定试件形状为矩形，尺寸为250 mm×25 mm.试验采用手糊法制备纤维板，具体过程如下：铺设4层纤维布，每层均匀涂抹树脂，外层分别包裹隔离膜、透气毡，并放入真空袋中抽真空，目的是去除树脂固化反应过程中产生的气泡，保持真空状态24 h.取出后放置7 d 使其充分固化.通过改变混杂纤维的种类、质量比例和纤维布的铺层角度，制备了共11 种混杂纤维增强环氧树脂复合材料板.

改变混杂纤维的种类，保持两种纤维的质量比为1 ∶1，交替铺层，样品编号如表 1 所示.

表1 混杂纤维的种类

改变混杂纤维的质量比例，如表2 所示.

表2 混杂纤维的质量比

改变混杂纤维的纤维布铺层方式，在玄武岩纤维/玻璃纤维质量比为1 ∶1 的条件下，铺层角度有0°（垂直于纤维方向）和 45°（0°方向顺时针旋转45°），如表 3所示.

表3 混杂纤维的铺层方式

2.2 力学试验

根据GB 1447—2005 纤维增强塑料拉伸性能试验标准，使用电子万能试验机（AGS-X 100 kN，岛津）进行拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min.

根据GB 1449—2005 纤维增强塑料弯曲性能试验标准，使用电子万能试验机（AGS-X 100 kN，岛津）进行三点弯曲试验，压头压缩速率为2 mm/min.

3 结果与讨论

3.1 纤维层板的拉伸性能

分别以不同种纤维布制备单层纤维增强环氧树脂复合材料板，并根据拉伸性能试验标准GB 1447—2005 测试了其拉伸性能，图1 是不同纤维纤维层板拉伸试验的力-位移曲线.表4 列出了不同纤维纤维层板拉伸试验的力学性能，数据表明碳纤维层板（CF）抗拉强度大，为3 724.9 N.玻璃纤维层板（GF）和玄武岩纤维层板（BF）的断裂伸长率比碳纤维层板大，说明玻璃纤维和玄武岩纤维的延性更大.

图1 不同纤维纤维层板拉伸试验的力-位移曲线

表4 不同纤维纤维层板拉伸试验的力学性能

3.2 混杂纤维种类对纤维层板力学性能的影响

3.2.1 拉伸性能

图2 是不同种类混杂纤维纤维层板拉伸试验的力-位移曲线，可以看出，3 条曲线呈现明显的上升趋势.样品未断裂时，载荷随位移增加而增加.当载荷达到一定值时，样品中的纤维断裂，曲线快速下降.表5列出了不同种类混杂纤维纤维层板拉伸试验的力学性能，对比分析各个样品的抗拉强度可知，当玻璃/碳纤维以 1 ∶1 的质量比混合（即 1-1_G2C2）时，其抗拉强度最高，为3.57 GPa；其次1-3_C2B2 抗拉强度降低了9%；1-2_G2B2 抗拉强度降低了46%.由于BF 表面较粗糙，使得碳/玄武岩混杂的纤维板的抗拉强度低于碳/玻璃纤维混杂的纤维板.虽然如此，碳/玄武岩纤维混杂的纤维板的抗拉强度和拉伸弹性模量均已接近碳/玻璃纤维混杂的纤维板，可见以玄武岩纤维代替玻璃纤维与碳纤维混杂具有可行性.当玻璃纤维与玄武岩纤维1 ∶1 混杂时，虽然其抗拉强度仅为另外两种组合的55%，但其断裂伸长率提高了37%，纤维板的延性提高.

3.2.2 弯曲性能

表5 不同种类混杂纤维纤维层板拉伸试验的力学性能

图3 是不同种类混杂纤维纤维层板弯曲试验的力-位移曲线，可以看出，3 条曲线在第一阶段荷载随位移增大而增大，随后逐渐进入破坏阶段，当载荷达到一定值时，纤维板出现微小裂纹，随着裂纹扩展，纤维板中间下部受拉区出现断裂，曲线下降.之后进入第二阶段，曲线因载荷继续增大而缓慢上升，同时纤维板受力继续弯折，样品发生滑移，载荷逐渐降低，曲线下降.表6 列出了不同种类混杂纤维纤维层板弯曲试验的破坏载荷，碳纤维与玄武岩纤维等比例混杂时，纤维板抗弯能力最强，破坏载荷为262.2 N；其次为碳纤维与玻璃纤维等比例混杂时，其破坏载荷降低了10%；当玻璃纤维与玄武岩纤维混杂时，其抗弯性能最差，破坏载荷仅为碳/玄武岩纤维混杂时的62%.因此，在考虑抗弯性能时，玄武岩纤维可以取代玻璃纤维.

图3 不同种类混杂纤维纤维层板弯曲试验的力-位移曲线

表6 不同种类混杂纤维纤维层板弯曲试验的破坏载荷N

3.3 混杂纤维组成比例对纤维层板力学性能的影响

3.3.1 拉伸性能

图4 是不同比例混杂纤维纤维层板拉伸试验的力-位移曲线，将1-1_G2C2、1-2_G2B2 样品拉伸试验数据与第二组拉伸试验数据一起比较，可见6 条曲线荷载随位移的增加而逐渐上升，当抗拉强度达到临界值时，纤维层板断裂，曲线快速下降.表7 列出了不同比例混杂纤维纤维层板拉伸试验的力学性能，CF/GF混杂时，CF 占纤维比例的50%时，拉伸性能最强，抗拉强度为3.57 GPa；CF 占纤维比例的75%时，抗拉强度降低了14%；CF 占纤维比例的25%时，抗拉强度降低了36%.可见，CF 提升了GF 的抗拉强度，但并不是CF 比例越高越好，当CF 占纤维比例的50%时性能最佳.BF/GF 混杂时，BF 占纤维比例的75%时，抗拉性能最强，抗拉强度为2.56 GPa；BF 占纤维比例的50%时，抗拉强度降低了23%；BF 占纤维比例的25%时，抗拉强度降低了27%. 可见，BF/GF 混杂时抗拉强度随玄武岩纤维比例减少而降低.CF/GF 混杂的最高抗拉强度比BF/GF 混杂的最高抗拉强度高28%.

图4 不同比例混杂纤维纤维层板拉伸试验的力-位移曲线

3.3.2 弯曲性能

图5 是不同比例混杂纤维纤维层板弯曲试验的力-位移曲线，将1-1_G2C2、1-2_G2B2 样品弯曲试验数据与第二组弯曲试验数据一起比较，可见6 条曲线的走势基本上是缓慢上升的.当载荷达到一定值时，纤维层板出现微小裂纹，随着裂纹扩展样品中下部受拉区出现断裂，曲线下降.之后进入第二阶段，曲线因载荷继续增大出现微小上升，纤维层板受力继续弯折，随后样品发生滑移，载荷逐渐减少，曲线下降.表8列出了不同比例混杂纤维纤维层板弯曲试验的破坏载荷，CF/GF 混杂时，CF 占纤维比例的50%时，抗弯性能最强，破坏载荷为236.4 N；CF 占纤维比例的75%时，破坏载荷降低了7%；CF 占纤维比例的25%时，破坏载荷降低了44%.说明CF/GF 混杂时，在两种纤维比例 1 ∶1 时，抗弯性能最佳.BF/GF 混杂时，BF 占纤维比例的50%时，抗弯性能最强，破坏载荷为161.2 N；BF 占纤维比例的75%时，破坏载荷降低了24%；BF占纤维比例的25%时，破坏载荷降低了14%.说明BF/GF 混杂纤维比例1 ∶1 时抗弯性能最强.

图5 不同比例混杂纤维纤维层板弯曲试验的力-位移曲线

表8 不同比例混杂纤维纤维层板弯曲试验的破坏载荷N

3.4 纤维铺层角度对纤维层板力学性能的影响

3.4.1 拉伸性能

图6 是不同纤维铺层角度纤维层板拉伸试验的力-位移曲线，可以看出4 条曲线的走势基本上是缓慢上升的.当载荷达到一定值时，纤维层板断裂，曲线快速下降.表9 列出了不同纤维铺层角度纤维层板拉伸试验的力学性能，当纤维均沿0°方向排布时，抗拉强度为2.55 GPa；当第二层玻璃纤维沿45°排布，其余0°方向排布时，抗拉强度降低了4%；当第二、三层玻璃纤维和玄武岩纤维沿45°排布，其余0°方向排布时，抗拉强度降低了16%；当第一层玄武岩纤维沿0°排布，其余沿45°排布时，抗拉强度降低了35%.随着45°铺层的层数越多，抗拉强度越低，弹性模量越小，弹性越差.主要因为45°方向排布的纤维层板在拉应力作用下纤维束中部承受的剪应力最大，此角度首先出现破坏现象而导致拉伸性能差.

图6 不同纤维铺层角度纤维层板拉伸试验的力-位移曲线

表9 不同纤维铺层角度纤维层板拉伸试验的力学性能

3.4.2 弯曲性能

图7 是不同纤维铺层角度纤维层板弯曲试验的力-位移曲线，可见，位移随载荷增大而增大，当载荷达到一定值时，纤维板出现微小裂纹，随着裂纹扩展，样品中下部受拉区首先出现断裂，曲线下降.进入第二阶段，曲线因载荷继续增大而缓慢上升，纤维板继续受力弯折，随后样品滑移.表10 列出了不同纤维铺层角度纤维层板弯曲试验的破坏载荷，当纤维均沿0°方向排布时，破坏载荷为126.2 N；当第二层玻璃纤维沿45°排布，其余0°方向排布时，破坏载荷提高了17%；当第二、三层玻璃纤维和玄武岩纤维沿45°排布，其余0°方向排布时，破坏载荷提高了33%；当第一层玄武岩纤维沿0°排布，其余沿45°排布时，破坏载荷提高了40%.45°铺层层数越多，破坏载荷越高.主要因为45°铺层在抗弯过程中发挥了连接作用，出现裂纹后，45°铺层传递了剪应力，使整体上还可以承受垂直方向的载荷，不至于断裂.

图7 不同纤维铺层角度纤维层板弯曲试验的力-位移曲线

表10 不同纤维铺层角度纤维层板弯曲试验的破坏载荷N

4 断口形貌分析

图8 是在超景深显微镜观察到的拉伸断口形貌.从照片中可以清楚地看出纤维层板的破坏有纤维被拔出和纤维层板被整体拉断两种形式.如图8a，GF 在断口处有分层甚至裸露的现象，由于局部应力集中，荷载到达临界值时破坏了玻璃纤维与环氧树脂的结合界面，引起脱粘，可见界面黏结性差，主要因为GF表面光滑且粘合环氧树脂较少.如图8a 和8c 中，CF与环氧树脂粘连紧密，CF 的破坏均为被拉断，没有出现过早的被拔出或者脱粘的现象，说明CF 与环氧树脂间界面黏结性好.如图8b、8d 和8e，BF 拉伸断口出现被撕裂甚至局部分层的现象，由此可见BF 与环氧树脂的结合力比CF 与环氧树脂的结合力差，但优于GF 与环氧树脂的结合力.

图9 是在超景深显微镜观察到的弯曲断口形貌.从照片中可以分辨出4 层纤维，接触压头部分有局部微小破碎的情况，板层中下部受拉区彻底断裂，为了方便观察断口形貌而进行彻底断裂处理，如图9a、9b和9d，在弯曲过程中纤维层板受力，GF 首先产生裂纹，随后损伤不断积累导致分层.如图9a 和9c 所示，CF、BF 表现良好，仅在断口处有短小纤维被拔出，没有被提前拔出或者出现脱粘. 说明在抗弯性能方面GF 表现略差，弯曲过程中，容易最早到达其极限荷载，进而出现过早的损坏.在承受弯曲荷载的结构中，应优先考虑BF 和CF.

图8 纤维板拉伸断口形貌

图9 纤维板弯曲断口形貌

5 结 论

（1）当保持纤维混杂比例为1 ∶1 而改变混杂纤维种类时，玄武岩纤维与碳纤维混杂的纤维板拉伸性能接近玻璃纤维与碳纤维混杂的纤维板的拉伸性能.在抗弯性能方面，玄武岩纤维与碳纤维混杂的纤维板优于玻璃纤维与碳纤维混杂的纤维板.玄武岩纤维属于天然纤维，储存量丰富且环保，因此证明了玄武岩纤维代替玻璃纤维与碳纤维混杂具有可行性.

（2）对于纤维比例，玻璃纤维与碳纤维混杂比例1 ∶1 时拉伸性能和弯曲性能最佳.玄武岩纤维与玻璃纤维混杂时，玄武岩纤维占纤维比例的75%时，拉伸性能最强，表明拉伸性能随玄武岩纤维比例增加而增强.在弯曲性能方面，玄武岩纤维与玻璃纤维混杂比例1 ∶1 时最佳.玻璃纤维与碳纤维混杂的纤维层板最高抗拉强度比玄武岩纤维与玻璃纤维混杂的纤维层板最高抗拉强度高28%.在抗弯能力方面，玻璃纤维与碳纤维混杂的纤维层板最高弯曲强度比玄武岩纤维与玻璃纤维混杂的纤维层板最高弯曲强度高31%.因此在与玻璃纤维混杂的纤维层板中，玄武岩纤维很难取代碳纤维.

（3）玄武岩纤维与玻璃纤维混杂的纤维层板纤维铺层角度中，45°铺层在抗弯过程中发挥了连接作用，随着45°铺层的层数增多，纤维层板的抗弯性能得到增强，但同时纤维层板弹性模量逐渐降低，拉伸性能减弱.在实际应用中，可以改变45°铺层层数，获得不同纤维层板以符合不同领域的要求.

（4）对超景深显微镜观察到的拉伸断口形貌进行分析，玄武岩纤维与环氧树脂的结合力比碳纤维与环氧树脂的结合力差，但优于玻璃纤维与环氧树脂的结合力.在纤维层板的实际应用中，应优先考虑碳纤维与玄武岩纤维，使纤维板发挥出最优良的性能.