铺设角度对织物增强复合板材力学性能的影响

刘君妹 贾立霞

（1.河北科技大学，河北石家庄， 050018；2.河北省纺织服装技术创新中心，河北石家庄， 050018）

先进树脂基复合材料（Advanced Polymer Matrix Composites）是基于树脂和碳纤维等高性能连续纤维，采用复合工艺制备而成的复合材料［1］，自20 世纪60 年代得到应用以来，已经逐步走向成熟［2］。目前用于先进树脂基复合材料的树脂基体主要有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂等［3］。增强体主要有碳纤维、芳纶、玄武岩纤维等高性能纤维及其织物。树脂基复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型等特点，已经成为航空航天领域的重要材料［4］，同时也在风力发电、汽车制造等民用领域得到应用，产品性能不断提高。

玄武岩纤维作为一种无机高性能纤维，是我国国防的战略性创新材料，也是军民两用的新材料。目前全球连续玄武岩纤维的年总产能已接近1×105t，我国产量约占世界近90%［5］。对玄武岩纤维增强复合材料的研究大多集中在交通运输、建筑材料等工业领域［6⁃8］。玄武岩纤维增强聚合物基复合材料具有容重低、导热率小、吸潮性低、耐化学腐蚀性好、综合性能和性价比高等特点，因此在工业上有着重要的使用价值，广泛应用于市政城建、建筑建材、交通运输、纺织、消防、环保、航空航天、汽车船舶制造、工程塑料、新能源及军工等领域，尤其是市政城建、建筑建材和国防军工建设的一种主要材料［9］。

复合材料的成型工艺是改进并提升先进树脂基复合材料性能的关键［10］。树脂传递模塑成型（以下简称RTM）工艺是目前复合材料成型工艺中比较成熟、发展快、应用广的树脂模塑成型技术之一［11］，目前利用RTM 工艺制备玄武岩纤维织物增强复合板材的研究报道较少。故采用RTM真空辅助成型工艺制备玄武岩纤维织物增强的环氧树脂基复合板材，试验设计了玄武岩纤维织物不同角度的铺设方法，测试分析最终复合板材的拉伸和弯曲性能，研究探讨织物铺设角度对其性能的影响。

1 试验

1.1 试验原料

选用玄武岩纤维平纹织物为增强体，纱线线密度为100 tex，织物经纬纱密度均为100根/10 cm，按照纬纱与水平线夹角为0°、30°和45°裁剪织物试样。织物拉伸性能测试结果如表1 所示。

表1 织物试样的拉伸性能测试结果

复合板材树脂基体选用环氧树脂E51，固化剂甲基四氢苯酐，促进剂DMP⁃30；偶联剂KH560，脱模剂选用美国进口PMR。

1.2 设备与仪器

FSG11/10 型复合材料树脂传递设备，模具规格为36 cm×16 cm×2.3 cm；NDJ⁃4 型旋转黏度计；电子天平；UTM5105 型电子万能试验机。

1.3 复合工艺流程

（1）模具准备：用脱模剂擦拭模具表面3 次，间隔时间为30 min，并对模具进行预热，预热温度设为65 ℃。

（2）装模：在模具内铺放30 层经过偶联剂KH560 预处理的织物，将模具密封。

（3）真空辅助装置抽真空：将模具内抽成真空，避免模具中空气的包裹形成气泡。

（4）注入树脂体系：树脂体系注入温度为65 ℃，为保证树脂对增强织物的充分浸润与均匀复合，进行二次循环注胶，总注胶时间控制在60 min 以内。

（5）固化：80 ℃，2 h；100 ℃，3 h；120 ℃，3 h，完成板材固化［12］。

1.4 性能测试

按照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，测试玄武岩纤维织物增强环氧树脂板材的拉伸性能。试样规格为250 mm×15 mm，试验速度为2 mm/min，每组试样测试5 次，记录板材的破坏载荷、拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率等指标。

按照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，采用三点弯曲的方式测试玄武岩纤维织物增强环氧树脂板材的弯曲性能。裁制规格为100 mm×15 mm 的矩形试样，试验速度为10 mm/min，每组试样测试5 次，试样夹持跨距为80 mm，记录板材的破坏载荷、弯曲强度、弯曲弹性模量等指标。

2 结果与分析

2.1 拉伸性能测试结果与分析

3 种不同铺设角度的复合板材拉伸性能测试结果如表2 所示，拉伸载荷⁃位移曲线如图1所示。

图1 3 种铺设角度复合板材拉伸载荷⁃位移曲线及拉伸加载示意图

表2 不同铺设角度复合板材的拉伸性能测试数据

由表2 可见，3 种铺设角度织物制备的复合板材拉伸性能差异较大。织物0°铺设复合板材的拉伸断裂应力、拉伸强度和拉伸弹性模量最大，断裂伸长率最小。织物45°铺设复合板材的拉伸断裂应力、拉伸强度和拉伸弹性模量最小，断裂伸长率最大，织物30°铺设复合板材的各项指标介于两者之间。其原因是，增强织物是复合板材承受拉伸力的主要因素，在各复合板材纤维体积含量相同的条件下，当板材受垂直方向拉伸时，抵抗拉伸破坏的力主要来自于平行于拉伸方向的纱线。织物铺设角度为0°的复合板材，其内部的纤维方向与所承受拉伸力方向相同，即板材内的全部经纱同时抵抗拉伸破坏，纱线强度利用系数高，板材抵抗变形的能力最大，故板材的拉伸断裂应力、拉伸强度最大，而断裂伸长率最小。从表1 可见，玄武岩纤维织物纱线呈0°时的拉伸断裂应力是3 种铺设角度中最大的，断裂伸长率是最小的，这也是导致织物该方向铺设的复合板材力学性能呈此种规律的原因。

织物铺设方向呈30°和45°的复合板材在受垂直方向上的拉伸力时，经纬纱线同时抵抗外力，但板材中的纱线均与拉伸方向呈一定角度，且经纬纱线表现为不连续的形式。板材受拉伸时，试样中的所有纱线分解为与拉伸方向相同的力和与拉伸方向垂直的力，前一种力用于抵抗拉伸破坏，但试样中的纱线不连续性导致织物中纱线的强度利用系数非常小，拉伸断裂应力、拉伸强度较小，纱线与拉伸方向的角度越大，分解为与拉伸力方向相同的力越小，抵抗拉伸破坏的能力越差，但板材的弹性较好，断裂伸长率较大，表2 的数据也证明了这一结果。同时，从表1 中玄武岩纤维织物30°和45°的力学性能测试结果也证明了铺设角度导致复合板材拉伸性能变化的原因。

由图1 可见，3 种铺设角度的复合板材的载荷⁃位移曲线有一定差异。在初始阶段，3 种复合板材均呈现明显的线性关系，曲线的斜率有一定差异，说明拉伸初始阶段，板材抵抗拉伸变形的能力不同，即拉伸弹性模量存在差异，0°板材最初阶段的斜率大于其他两种板材，其拉伸弹性模量最大，45°板材拉伸弹性模量最低。从板材破坏曲线还可以看出，0°板材和30°板材呈现出类似的变化规律，在应变较小时发生脆性断裂破坏，从板材的拉伸断裂伸长率也证明了这一规律。45°板材在位移较大的时候发生破坏，且拉伸曲线呈现出较大的弹性，这也是由该铺设角度织物复合板材的断裂伸长率较大决定的。

2.2 弯曲性能测试结果与分析

3 种铺设角度的复合板材纵向弯曲性能测试结果如表3 所示，纵向弯曲载荷⁃位移曲线及弯曲加载如图2 所示。

表3 3 种铺设角度复合板材的弯曲性能测试数据

图2 不同铺设角度复合板材弯曲载荷⁃位移曲线及弯曲加载示意图

由表3 和图2 可知，织物铺设角度0°的复合板材弯曲破坏载荷为1 376.54 N，弯曲强度为440.41 MPa，弯曲弹性模量为427.46 MPa，明显优于铺设角度为30°与45°复合板材各项指标。织物呈30°铺设的复合板材的各项指标小于45°铺设的复合板材，但差异不大。

从图2 可以看出，织物0°铺设复合板材的弯曲载荷⁃位移曲线呈脆性断裂模式，初始阶段的斜率最大，板材断裂损坏时的位移最小，说明该板材抵抗外力时的变形小。其原因是，板材受到三点弯曲载荷时，上表面主要承受压缩应力，下表面主要承受拉伸应力。当弯曲载荷增加到最大时，织物增强复合板材试样开始分层，板材下表面织物中的所有纱线同时受到拉伸而断裂，纱线没有任何方向的分力，直至试样逐渐断裂失效。

织物铺设角度为30°和45°复合板材的弯曲载荷⁃位移曲线呈现假塑性断裂模式：当弯曲应力较小时，随应力的增加，曲线呈线性增长的趋势，此时试样处于弹性状态，主要发生弯曲变形；当弯曲载荷逐渐增加到最大时，试样变形达到最大，达到弯曲极限强度，随后，曲线呈逐渐下降趋势。其原因是，板材承受三点弯曲载荷时，板材下表面织物中的经纱和纬纱在拉伸方向的分力共同抵抗外力，由于试样尺寸的限制，板材中的经纬纱线长短不一致，呈现不连续的分布，导致板材中各层织物受到拉伸力时，只有部分经纱和纬纱的分力抵抗拉伸破坏，所以，这两种板材能承受的破坏载荷大大降低，且角度越大，水平方向的分力越大，最终结果是织物45°铺设的复合板材的破坏载荷略大于30°板材。0°板材内部每层织物的经纱承受拉伸载荷时，经纱没有任何水平方向的分力，所以0°板材的弯曲破坏载荷最大，且该种铺设角度织物变形最小，故板材破坏时位移最小。

3 结论

（1）不同的织物铺设角度对复合板材的拉伸性能影响较大。0°铺设复合板材的拉伸断裂应力、拉伸弹性模量、拉伸强度最大，但断裂伸长率最小，45°板材的拉伸断裂应力、拉伸弹性模量、拉伸强度最小，但是断裂伸长率最大，30°板材的各项拉伸指标介于两者之间。

（2）不同的织物铺设角度对复合板材的弯曲性能有显著影响。0°铺设的复合板材的弯曲性能（弯曲破坏载荷、弯曲强度、弯曲模量）明显优于30°、45°板材，但破坏时的位移最小，45°和30°铺设板材的弯曲性能差异较小，45°的板材的弯曲性能略好于30°铺设板材。