碳纤维双轴向经编织物铺层工艺对其复合材料力学性能的影响

2022-11-22王贝贝谈昆伦邵慧奇蒋金华

纺织科学与工程学报 2022年4期

王贝贝，谈昆伦，邵慧奇，蒋金华

(1.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620；2.东华大学纺织学院，上海 201620；3.常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司，江苏常州 213002)

0 引言

双轴向经编增强复合材料作为复合材料领域最重要的增强材料之一，在航空航天、交通运输和军用设备等领域有广阔的发展前景[1]。双轴向经编织物结构稳定可设计性强，平行伸直排列的纱线结构使其充分发挥纱线的性能优势，具有较好的抗冲击性能和面内强度[2-4]。碳纤维复合材料在使用的过程中，不可避免地会受到各种力的作用，如拉伸、冲击、撕裂、弯曲等，所以碳纤维复合材料的力学性能是用来评价材料好坏和适用性的重要指标，而碳纤维双轴向经编织物的铺层工艺是影响其复合材料力学性能的关键因素。

目前，从双轴向经编增强结构参数及铺层工艺出发研究其力学性能，已有一定的进展。李龙等[5]对比了双轴向经编复合材料和同状态下单向布复合材料的弯曲性能，结果表明:45°方向上多轴向经编复合材料的弯曲模量比单向布复合材料下降约26%。刘明矾等[6]对比了二轴、三轴和四轴三种多轴向经编复合材料的压缩性能，结果表明:四轴比二轴压缩强度提高125.7%。丁浩等[7]通过对箱体的加强筋设计、外形设计和铺层结构设计，最终得出:采用井字框加强筋和圆角过渡外形设计时，能够得到轻质高强的箱体。Bibo等[8]研究了多层叠合复合材料和多轴向经编复合材料在拉伸和压缩过程中的变形和失效行为，结果表明:与多层叠合复合材料相比，多轴向经编复合材料的纵向拉伸强度和压缩强度分别呈现不同程度的降低，依次为34.7%和40%。Truong等[9]采用相框剪切的实验方法研究了双轴向经编复合材料的剪切性能，结果表明:碳纤维多轴向经编织物铺层工艺对其复合材料影响显著，在产品设计开发中作为重要的考虑因素，也是材料设计及性能评估的重要手段。但是目前的研究，尤其是应用广泛的双轴向经编织物，其铺层结构对复合材料性能的影响仍然缺乏系统的研究。

本文基于双轴向经编碳纤维复合材料的实际用途，为了开发轻质高强的设备专用箱增强板材，深入探究碳纤维的铺层工艺对复合材料力学性能的影响，从双轴向经编碳纤维的铺层角度、铺层层数和铺层克重三个方面来探究对碳纤维复合材料拉伸性能和弯曲性能的影响并分析其原因，为其在今后工业工程上的应用提供理论依据。

1 实验

1.1 实验材料

经编双轴向PN300织物面密度是300g/m2，其碳纤维铺层顺序是±45°。经编双轴向PN600织物面密度是600g/m2，其碳纤维铺层顺序是±45°。P和N分别表示经编双轴向织物面内的碳纤维铺层角度+45°和-45°。树脂是由昆山裕博复合材料有限公司提供的WBH-120热溶型环氧树脂，碳纤维预浸料由常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司提供。

1.2 复合材料的制备

(1)按照40cm×40cm的尺寸裁剪好碳纤维预浸料；(2)实验前先使用无水乙醇清洁钢化玻璃板台面并涂刷脱模剂，实验开始先在钢化玻璃板上贴一圈密封胶，再在密封胶范围内铺一层脱模布(大小略大于碳纤维预浸料的尺寸)；(3)将碳纤维预浸料的PE膜去掉，平铺在脱模布上后去掉离型纸，注意预浸料的平展度和原始碳纤维的铺层角度不被破坏，接着按照设计好的铺层工艺将第二层碳纤维预浸料的PE膜剥离，均匀地平铺在第一层预浸料上，为了排除预浸料层间的空气，使用TPU软棍均等的按压其预浸料的离型纸，接着再使用同种方法铺设第三层，以此类推完成预浸料的铺放预复合；(4)在脱模布的空白区域上放置一根导流管以便后续抽真空，接着在铺好的预浸料表面铺一层脱模布，最后在大于密封胶的范围内平铺一层真空袋以营造一个密封的环境；(5)在导流管处接上真空泵开始抽真空，同时加热台从室温开始以1℃/min～2℃/min的升温速率升至120℃，在120℃条件下保温180min，自然降温至60℃以下脱模，得到碳纤维复合材料板。复合材料板铺层工艺设计如表1所示:

表1 复合材料板铺层工艺

不同铺层角度下碳纤维铺层结构如图1所示，其中铺层角度为[0°/0°]复合材料中碳纤维的铺层顺序为(+45°/-45°/+45°/-45°)，铺层角度为[0°/45°]的铺层顺序为(+45°/-45°/0°/90°)，铺层角度为[0°/90°]的铺层顺序为(+45°/-45°/-45°/+45°)。图1中数字1表示铺设第1层碳纤维的方向，数字2表示铺设第2层碳纤维的方向，数字3和4以此类推。

图1 不同铺层角度的碳纤维铺层结构

2 性能测试

2.1 拉伸性能

铺层克重不同，其复合材料中碳纤维织物的承载能力不同，直接关乎其复合材料力学性能。双轴向经编碳纤维铺层克重对其复合材料板拉伸性能的影响如图4所示。由图4可知，同一块复合材料板在经、纬向拉伸时的变化过程具有相似性，铺层克重增加，虽然拉伸强力提高，但拉伸断裂强度降低，PN600的断裂强度比PN300降低10.7%。同一块板经、纬向拉伸变化过程相似，理由同上。铺层层数相同时，随着铺层克重的增加，碳纤维束变大，纤维间距减小，纤维不易扁平化，所以纤维之间的间隙和空隙会造成树脂富集区，导致了板材在承载外部载荷时应力分布不均匀，降低了拉伸断裂强度。

2.2 弯曲性能

铺层层数不同，其复合材料中碳纤维织物的承载能力不同，直接关乎其复合材料力学性能。双轴向经编碳纤维铺层层数对其复合材料板拉伸性能的影响如图3所示。由图3可知，同一块复合材料板在经、纬向拉伸时的变化过程具有相似性，铺层层数增加，拉伸断裂强度增加，铺设4层复合材料板的断裂强度比2层的提高22.9%。同一块板经纬方向上碳纤维的分布情况一致，所以其拉伸曲线变化过程相似；在拉伸试样的过程中，随着载荷的增加，树脂基体开始出现裂纹现象，并产生清脆的断裂声，同时部分纤维与树脂界面失效，出现纤维抽拔和脱黏的现象，随着载荷继续增加，应力会在树脂基体和双轴向经编碳纤维织物增强体之间重新分配，双轴向经编碳纤维织物成为主要的承载部件，所以随着铺层层数增加，双轴向经编碳纤维织物承载能力增加，试样拉伸至破坏所需要的载荷增加，拉伸断裂强度增加[12]。

3 结果与讨论

3.1 铺层对拉伸性能的影响

3.1.1 铺层角度对拉伸性能的影响

铺层角度不同，其复合材料各个方向的纤维利用率不同，直接关乎其复合材料的力学性能。双轴向经编碳纤维铺层角度对其复合材料板的拉伸性能影响如图2所示。由图2可知，铺层角度为[0°/0°]和[0°/90°]复合材料板拉伸曲线变化过程相似，铺层角度为[0°/45°]的复合材料板拉伸断裂强度比[0°/0°]和[0°/90°]两块板提高297.1%。在拉伸过程中，受力初始基体作为主要承载部件，随着载荷增加，基体断裂，出现纤维抽拔和脱黏现象，继续增加载荷，双轴向经编织物成为应力的主要承载部件。影响碳纤维复合材料板拉伸性能的因素主要有以下三种:碳纤维的强度和含量、树脂的强度和化学稳定性、树脂与纤维间的界面粘结性能[10]。由于碳纤维的断裂强度远大于基体的断裂强度以及基体和纤维的粘结强度，所以试样在拉伸过程中只有部分的碳纤维断裂，破坏形式主要表现为碳纤维的抽拔和基体的断裂[11]。因为[0°/0°]和[0°/90°]两块板碳纤维铺层角度相似，所以拉伸曲线变化过程相似，[0°/45°]板有与拉伸方向平行排列的碳纤维作为主承力结构，可以充分发挥碳纤维本身的高强度优势，其他轴向的碳纤维不受力或呈现相互交错的结构，在板材拉伸的过程中只起到支撑的作用，所以其拉伸断裂强度大于[0°/0°]和[0°/90°]两块板材。

图2 铺层角度对拉伸性能的影响

3.1.2 铺层层数对拉伸性能的影响

中央全面深化改革领导小组第三十五次会议通过了《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》，强调“开展承载能力评价，规范空间开发秩序，合理控制开发强度，促进人口、经济、资源环境的空间均衡”[1]。地质灾害评价作为地质环境承载能力评价的主要内容之一，其成果对于区域空间规划的编制、社会经济空间布局的优化具有重要意义。

式中:ε为弯曲强度，MPa；p为破坏载荷，N；l为跨距，mm；b为试样宽度，mm；h为试样厚度，mm。

采用QJ-2120电子万能试验机，参考标准GB/T 1449—2005对所制备的复合材料板进行弯曲性能测试。试样长度按照(16±1)mm·厚度制备，宽度为15mm，试验速度为2mm/min，经纬向各测3次，取平均值。

图3 PN300铺层层数对拉伸性能的影响

建筑工程施工中使用节能环保技术主要是在建设项目可行性研究、工程设计过程中，在保证建筑技术要求与用户要求的基础上，以节能环保性能为前提，尽量选择新材料与新施工技术，减少建筑工程施工中及使用后可能会出现的能源损耗与环境污染，在施工中，做好原料回收利用，使能源利用实现最大化，以可持续发展为基本理念，实现建筑工程施工的资源环境友好型目的。目前，在建筑工程施工中主要通过选择节能环保材料与节能环保施工技术实现节能环保要求。

采用INSTRON-5967万能材料仪，参考标准GB/T 1447—2005对所制备的复合材料板进行拉伸性能测试。试样尺寸为250mm×25mm，拉伸速度为2mm/min，夹持长度为170mm，经纬向各测3次，取平均值。

图4 铺层克重对拉伸性能的影响

3.2 铺层对弯曲性能的影响

碳纤维双轴向经编织物的铺层工艺是影响复合材料板拉伸性能的关键因素，铺层角度、铺层层数和铺层克重不同，其弯曲破坏性能也不同。试样在弯曲破坏下的破坏载荷或最大载荷时的弯曲应称为弯曲强度，其计算公式(1)如下。

3.1.3 铺层克重对拉伸性能的影响

非洲猪瘟病毒可经过口以及上呼吸道系统进入身体中，然后在鼻咽部发生感染。之后该病毒会快速蔓延到下颌淋巴结处，且通过淋巴和血液在猪身体里蔓延。在病毒较强时猪身体内的细胞变化十分快，甚至在死亡前可能导致体内所有细胞死亡。

《爱丽丝梦游仙境》自1865年出版以来，一直深受不同年纪的读者喜爱。此书已经被翻译成至少125种语言，中文译本超过30多种，到20世纪中期重版300多次，其流传之广仅次于《圣经》和莎士比亚的作品。这部小说将誉为英国魔幻文学的代表作、世界十大著名哲理童话之一。100多年来，《爱丽丝梦游仙境》被传遍了世界各地，无数次被改编成戏剧、电影、电视剧、哑剧和动画片等艺术形式，成为世界上流传最广、影响最大的儿童小说之一，陪伴无数儿童度过了欢乐时光。

铺层角度不同，其复合材料中碳纤维织物的承载能力不同，直接关乎其复合材料力学性能。双轴向经编碳纤维铺层角度对其复合材料板弯曲性能的影响如图5所示。由图5可知，铺层角度为[0°/0°]和[0°/90°]两块复合材料板弯曲曲线变化过程具有相似性，而铺层角度为[0°/45°]板的经、纬向弯曲曲线变化趋势有差异，纬向弯曲强度比经向提高109.5%。在弯曲实验的过程中，材料上表面受到最大的压应力，材料下表面受到最大的拉应力[13]，内部纤维虽受到剪切和压力作用，但主要发生分层。载荷从材料外层向内层传递，当加载方向与最外层纤维取向一致时，材料抵抗破坏的能力越强，所需破坏载荷越大，弯曲强度越大。铺层角度为[0°/45°]复合材料板的最大弯曲强度(纬向)大于铺层角度为[0°/0°]和[0°/90°]的两块复合材料板，[0°/45°]板中碳纤维的分布方向更加均匀，从而使得各个方向的纤维同时承受载荷，极大地分散了复合材料的受力，消耗了更多的能量，降低局部应力集中，提高材料的承载能力[14]。

3.2.1 铺层角度对弯曲性能的影响

图5 铺层角度对弯曲性能的影响

3.2.2 铺层层数对弯曲性能的影响

1980年，“学成下山”的拉加德踌躇满志，向法国乃至全球多家律师事务所投出求职申请，但结果却令她再一次失望。她去一家法国律师事务所面试时，刚进去就被面试官告诫：女人只有在非正式及一些特殊情况下，才可能成为合伙人，一般只能整理档案。“这实在令人难以接受，于是我头也不回地走了。”后来另有一个面试机会，来自总部设在芝加哥的贝克·麦坚时国际律师事务所。“谈话的是位女性，我受雇了。这里的不同在于，并非美国人当头，欧洲人是跟班，也不是年长的就是领导，年轻的就只干记笔记之类的杂活。”25岁的她从一个实习生做起，先是在巴黎办事处，而后因业绩出色，直接调入位于美国芝加哥的全球运营中心。

铺层层数不同，其复合材料中碳纤维织物的承载能力不同，直接关乎其复合材料力学性能。双轴向经编碳纤维铺层层数对其复合材料板弯曲性能的影响如图6所示。由图6可知，同一块板经、纬向的弯曲曲线变化过程具有相似性，铺设2层板的弯曲曲线斜率大于4层板大于3层板，铺层层数增加，弯曲强度降低，4层板的弯曲强度比2层板的降低2.1%。随着铺层层数增加，材料中有更多的纤维承受载荷，分散复合材料板的受力，提高材料的弯曲性能，所以铺层层数越多，材料所需的破坏载荷越大，斜率越大。但因为本次实验采用PN600预浸料作为实验对象，其碳纤维间距小，分布比较密集，树脂浸润不够均匀，在抽真空时层与层之间还留有空气，所以就造成了复合材料板上出现了树脂富集区[15]。随着铺层层数的增加，其厚度增加，树脂流动缓慢，依靠树脂流动带出气泡的作用受到了限制，所以铺层层数多的复合材料板形成的富树脂区多[16]。本次实验中的破坏裂纹大多都是从富树脂区处产生并扩展，所以铺设2层的复合材料板富树脂区相对较少，曲线斜率最大。由公式(1)可知，虽然铺层层数增加，弯曲强力有所提高，但厚度h增加，且厚度对弯曲刚度的影响更占主导作用，所以大大降低了材料的弯曲强度。

图6 铺层层数对弯曲性能的影响

3.2.3 铺层克重对弯曲性能的影响

复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构等组成。通过采用2套行星齿轮机构的齿圈和中间轴主动齿轮及驻车锁止齿轮做成一体的复合齿轮，使复合齿轮装置的结构更为紧凑和轻量化。动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1、行星架连接至发动机、齿圈位于复合齿轮上。电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2、齿圈位于复合齿轮上、行星架固定至传动桥外壳(图3)。

铺层克重不同，其复合材料中碳纤维织物的承载能力不同，直接关乎其复合材料力学性能。双轴向经编碳纤维铺层克重对其复合材料板弯曲性能的影响如图7所示。由图7可知，同一块复合材料板在经、纬向被加压弯曲时的变形过程具有相似性，铺层克重增加，弯曲强度增加，PN600的弯曲强度比PN300提高27.6%。因为随着铺层克重增加，碳纤维间距减小，织物密度增大，在材料压缩的过程中，有更多的纤维同时承受载荷，极大地分散了材料的受力，消耗了更多的能量，提高了材料的弯曲性能。

害虫综合治理认为害虫防治不是以消灭害虫种群为目的，而是将其种群的数量控制在经济和环境可接受的范围内，而在利用杀虫剂进行害虫防治时，杀虫剂浓度随着时间增加而递减，至一定水平时其毒力就可能变为亚致死剂量，对害虫群体而言，该范围内剂量并不能导致其死亡，但能影响其行为或生理活动，故研究亚致死剂量的杀虫剂与害虫种群的生长发育、繁殖力及再猖獗之间的关系显得尤为重要。