铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料的性能分析

2022-08-18时娟娟李小红金礼月黄晓梅曹海建

棉纺织技术 2022年8期

时娟娟李小红金礼月黄晓梅曹海建

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.安徽铭瑞新材料科技有限公司，安徽滁州，239000）

近年来，随着人们对安全问题的重视，电动车头盔壳体所用材料从塑料、金属、锦纶、玻璃纤维等材料逐渐转向了芳纶复合材料、超高分子量聚乙烯纤维复合材料、高强高模碳纤维复合材料等，不但有效降低了头盔的重量，而且提高了头盔的防护性能［1］。

王凤德等通过对比超高分子量聚乙烯纤维、PBO 纤维和对位芳纶纤维的强度及其优缺点，认为对位芳纶的综合性能最优，其具有轻质、高强高模、耐高温、高韧性、耐冲击等优良性能，是个体防护装备的首选材料［2］。头盔壳体用复合材料增强织物中，一维的主要有单向织物［3］。二维机织物最常用的是芳纶1414 H -shell 系列、ST 系列和HT 系列的平纹及方平织物［4］。KANG T J 等通过测试发现，与平纹织物相比，方平织物增强复合材料的抗冲击性能更优，其主要原因是方平织物中的经纬纱交织点比平纹织物少，更易于能量的传播［5］。罗岳文对超高分子量聚乙烯纬编针织复合材料的力学性能进行了研究，结果发现8 层针织复合材料的抗冲击性能最好［6］。孙颖等介绍了一种薄层正交三向织物，其抗冲击性能比单向织物、平纹织物更优异，应用于复合材料头盔壳体增强织物可以减少铺层数和铺层缺陷［7］。谢婉晨通过对比不同层数角联锁织物与平纹织物的冲击性能发现，5 层角联锁织物具有较好的抗冲击性能［8］。张国利等探究了不同铺层角度对碳/芳纶混杂复合材料头盔的力学性能，结果表明在0°铺层时试样的拉伸强度和模量最大［9］。王心淼等利用落锤冲击装置对引入±45°斜向纱的多轴向三维机织复合材料和三维正交机织复合材料进行了低速冲击测试，结果发现多轴向三维机织物的抗冲击性能较好，主要原因是斜向纱的引入使三维织物面内的纱线排列方向增多，复合材料在冲击过程中冲击能量分散在各方向的纤维上，使得材料可承受更高的低速冲击载荷能力［10］。目前，对纺织复合材料头盔的研究相对较少，头盔壳体预制件的制备多采用裁剪铺层的方式，存在效率低、尺寸稳定性差等问题，限制了纺织复合材料头盔的发展。冲击试验主要是落锤冲击，对其摆锤冲击、碰撞机理以及成型工艺参数对头盔冲击性能的影响还有待进一步探究。

本研究以芳纶1414 织物为增强体，环氧树脂体系为基体，通过真空辅助成型工艺制备铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料，重点研究复合材料弯曲性能、冲击性能及其破坏形貌，分析其破坏机理，并探究含胶量和织物层数对其铺层芳纶1414安全头盔用复合材料弯曲性能和冲击性能的影响，为复合材料头盔壳体的研发奠定一定的理论基础。

1 试验部分

1.1 原材料与设备

采用的芳纶1414 平纹织物经纱和纬纱线密度均为115 tex，织物经密和纬密均为90根/10 cm，织物单位面积质量200 g/m2。环氧树脂E-51，固化剂聚醚胺230。

采用的设备有旋片式真空泵、Instron 5969H型万能材料试验机和摆锤式冲击试验机。

1.2 复合工艺

环氧树脂E-51 和聚醚胺230 按4∶1 的质量比组成树脂体系，利用真空辅助成型工艺在4 种不同含胶量条件下制备10 层、15 层、20 层的铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料。真空辅助成型工艺装置如图1 所示。具体成型工艺方法参考文献［11］。

图1 真空辅助成型工艺装置图

1.3 弯曲性能

铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料弯曲性能测试参照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》［12］。采用Instron 5969H 型万能材料试验机对试样进行弯曲性能的测试。样品规格120 mm×15 mm，试验跨距90 mm，测试速度2 mm/min，每种样品测5 次，结果取平均值。

1.4 冲击性能

铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料冲击性能测试参照GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》［13］。采用ZBC8501-C 型摆锤式冲击试验机对试样进行冲击性测试。样品规格80 mm×10 mm，摆锤冲击能量22 J，每种样品测5 次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 弯曲性能

2.1.1 弯曲破坏形貌

铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料弯曲载荷-位移曲线和弯曲破坏形貌如图2 和图3 所示。

图2 复合材料的弯曲载荷-位移曲线

图3 复合材料的弯曲破坏形貌

曲线为含胶量42% 的10 层芳纶1414 织物的5 次试验。由图2 的ab区间可以看出，弯曲载荷随着位移的增加呈现先线性增加、后非线性增加的趋势，试验过程中可以看到材料部分弯曲，且上下层树脂有碎裂现象。图2 的b点为弯曲载荷达到最大值，试验中材料发生破坏。弯曲载荷随着位移的增加呈现先缓慢下降、后急剧下降的趋势，如图2 的bc区间和cd区间，随后材料彻底被破坏，弯曲过程结束。此时，材料出现了不可回复的“V”形形貌，如图3（c）所示。从图3（a）中能看到材料表面压头处有白色压痕；从图3（b）中能看到材料下表面有部分树脂碎裂、纤维断裂。这是由于材料上表面压应力增加，下表面拉应力增加，使纤维与基体界面破坏；从材料侧面看，下表面边缘处还出现了微小分层，如图3（c）所示。

2.1.2 弯曲强度

含胶量、织物层数对铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料弯曲强度的影响测试结果如图4 所示。由图4 可知，铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料的弯曲强度随着含胶量的增加呈先增加后减小的规律。这是因为，环氧树脂与固化剂发生交联反应形成三维网状结构的环氧树脂大分子，使纤维与树脂之间的界面黏结能力增强，复合材料表现出优异的稳定性，因此材料的弯曲强度增大；但含胶量太大，反而会使弯曲强度下降，因为环氧树脂属于热固性树脂，过大会使得复合材料的韧性下降，造成材料的脆性断裂。含胶量在41% 和42% 时，铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料的弯曲强度较好。当织物层数为10 层时，最大弯曲强度为237.08 MPa，此时含胶量为41%；织物层数为15 层时，最大弯曲强度为273.67 MPa，此时含胶量为42%；织物层数为20 层时，最大弯曲强度为290.05 MPa，此时含胶量为42%。说明铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料的弯曲强度随着织物层数的增加而增大，这是因为织物层数的增加使单位体积纤维含量增加，更多的纤维、织物与树脂界面结合，同时材料厚度增大使复合材料刚度增大，因此复合材料的弯曲强度随着织物层数的增大而增大。

图4 复合材料弯曲强度与含胶量、织物层数的关系

2.2 冲击性能

2.2.1 冲击破坏形貌

铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料冲击破坏形貌如图5 所示。其中，复合材料为含胶量42% 的10 层芳纶1414 织物的5 个试样。由图5可以看出，试样经22 J 的能量冲击后，破坏较为严重，且破坏形式较为复杂。由图5（a）和图5（b）可以看出，试样正面和背面均出现了树脂碎裂、纤维断裂和纤维抽拔现象，破坏区域主要集中在被摆锤冲击韧接触的区域。由图5（c）和图5（d）可以看出，冲击正面与冲击背面纤维断裂、抽拔现象更加严重，边缘处树脂与纤维脱黏，试样中间有分层现象，分层破坏的区域较大。

图5 复合材料的冲击破坏形貌

2.2.2 冲击强度

含胶量、织物层数对铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料冲击强度的影响如图6 所示。

由图6 可知，铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料的冲击强度随着含胶量的增加呈现先增加后减小的规律。这是因为，环氧树脂与固化剂发生交联反应形成三维网状结构的环氧树脂大分子，使纤维与树脂之间的界面黏结能力增强，因此复合材料表现出优异的抗冲击性能；但含胶量太大，反而会使冲击强度下降，因为环氧树脂属于热固性树脂，过大会使得复合材料的韧性下降，造成材料的脆性断裂。含胶量在42% 时，铺层芳纶1414安全头盔用复合材料的冲击性能最好。当织物层数为10 层时，最大冲击强度为276.49 kJ/m2，此时含胶量为42%；织物层数为15 层时，最大冲击强度为344.31 kJ/m2，此时含胶量为42%；织物层数为20 层时，最大冲击强度为332.88 kJ/m2，此时含胶量为42%。说明铺层芳纶1414 安全头盔用复合材料的冲击强度随织物层数的增加先增大后减小，这是因为层间性能是决定冲击韧性的关键因素，但20 层时铺层数增多，芳纶1414 与环氧树脂基体的结合较薄弱，使得层间性能下降，复合材料的增强纤维黏结不牢，复合材料层间树脂不能将剪切应力有效传递到芳纶纤维上就会发生局部失稳破坏失效，层间剪切强度不足，使材料的冲击韧性下降，因此复合材料冲击性能下降［14-15］。冲击强度离散值不稳定，这是由于真空辅助成型工艺的不稳定及测试等客观原因造成的。