三维机织玄武岩/芳纶复合材料的拉伸和剪切性能

摘  要 本文设计和制作了两种混杂模式的三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料，分别是层间混杂和层内混杂模式。对其拉伸性能和剪切性能进行了测试和分析，结果表明，层内混杂复合材料的拉伸性能和剪切性能比层间混杂复合材料的好；对于层间混杂复合材料，因为Z纱的存在和织造工艺中经纱预加张力的影响，经向的模量比纬向的高。
关键词 芳纶纤维；玄武岩纤维；混杂复合材料；拉伸性能；剪切性能；
1. 引 言
随着科学技术的发展，对材料性能的要求日益提高，单质材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。而复合材料与单质复合材料的性能相比，性能更加优越。近年来，复合材料得到了迅猛发展，广泛应用于航空航天工业和汽车工业领域。
复合材料一般由增强体和基体组成，经过设计，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，呈现出优越的综合性能，如高强度、高模量和低密度等。纤维增强复合材料是由高强度高模量纤维、树脂基体以及纤维和树脂间的界面构成。传统的纤维增强复合材料的成本较高，层压复合材料因为缺少Z向的纱线，在厚度方向的力学性能较差。三维机织复合材料的出现克服了传统层压复合材料容易分层的缺陷，而且预制件是一块整体，具有近似网状的结构，减少了工艺流程，降低了成本，具有优良的抗冲击性能[1, 2]。
近年来，对混杂结构增强复合材料的研究得到了发展。因为混杂结构，即在同一块基体中，含有多种增强体，能满足设计者特别的要求。混杂的主要目的：获得较高性能的复合材料，既保持材料原有的优点，又能克服本身的缺陷；降低成本，使用比较廉价的材料作为复合材料的组分，但不影响性能。
玄武岩连续纤维具有优良的物理机械性能，拉伸强度、弹性模量及断裂伸长都比较大，在一些应用领域内完全可以代替玻璃纤维、碳纤维等充当复合材料的增强体，而且性价比非常优越[7-9]。玄武岩连续纤维的使用范围特别广，还具有很强的耐酸、耐碱性能，高电绝缘性能及对电磁波的高透过性，隔热、隔音特性，防电磁辐射的特性，过滤净化特性等性能，因而得到广泛的应用。
芳纶纤维具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸耐碱、质量轻等优良性能，芳纶可用作先进复合材料，用于航空航天领域、舰船、汽车工业中；用作防弹制品，可以用来制作硬质防弹装甲板、软质防弹背心；可以用于基础设施和建材、芳纶增强混凝土、芳纶增强木材、传送带、缆绳、特种防护服装、体育运动器材、电子设备等方面[10]。
本文主要制作了三维正交混杂机织（芳纶/玄武岩纤维）复合材料，通过比较两种混杂结构复合材料拉伸和剪切性能，探讨了混杂模式对混杂复合材料拉伸和剪切性能的影响。
2. 实验部分
2.1材 料
所用的两种纤维是玄武岩纤维和芳纶纤维 (Kevlar 129)，其中玄武岩纱线密度为670tex；芳纶纱线密度为314tex。树脂基体为环氧618和固化剂5510。
2.2制作工艺
2.2.1三维编织工艺

三维织造工艺在三维正交织机上完成。在本实验中，在三维正交织机上织造了两种不同的织物，分别是层间混杂结构和层内混杂结构。所谓的层间混杂结构，就是与传统混杂结构相似，在经向和纬向上包含一层玄武岩纱线和一层芳纶纱线；层内混杂结构就是在同一层中玄武岩纱线和芳纶纱线交替排列。层内混杂结构的预制件比较复杂，需要双向引纬，因此，在经向和纬向上，玄武岩纱线和芳纶交替排列。预制件的经纬密度为5根/cm，六层经纱，七层纬纱。

三维正交织物结构如图1所示。

2.2.2复合材料固化工艺
采用真空辅助树脂转移成型方法固化制作复合材料。在压强为0.7MPa的条件下，浸润预制件，从室温升高到80℃，保持2小时，再升温至100℃，保持0.5小时，再降至室温，完成固化。
2.3物理性能
2.3.1密度测量
采用排水量的方法测量复合材料的密度。将每种复合材料制成25cm×25cm的试样，浸润在水中，记录排出水的体积值。在电子天平上称量每件试样的重量，并记录，计算出每件试样的密度。如表1所示。

表1 混杂复合材料的密度

2.3.2计算体积含量
本实验采用试样法直接计算纤维体积含量。将每种复合材料制成100mm×100mm的试样。用排水量法测出每件试样的体积。分别数出经向和纬向的纱线数量，包括Z纱的数量。根据已知的纱线特数，可以计算出每件试样中芳纶纤维和玄武岩纤维的重量和体积，考虑到复合材料中的空隙，进而得出基体、芳纶纤维和玄武岩纤维的体积含量，如表2所示。

表2 混杂复合材料的纤维和基体体积含量

2.4拉伸测试
2.4.1试样制作
本实验中，对于两种三维机织混杂复合材料即层间混杂和层内混杂，分别准备三种试样：0°(经向)/45°/90°(纬向)。对于0°和90°，分别制作了5个试样。对于 45°，制作了三个试样。所有的试样是根据GB/T1447-2005标准制作的。在喷水切割机上切割试样。试样在0°和90°方向上切割成25mm×250 mm的矩形。然后将其打磨成狗骨头形，如图2所示。试样的最小宽度是10mm. 试样在45°方向上也切割成25mm×250 mm的矩形。

图2拉伸测试试样

2.4.2拉伸和剪切测试工艺
根据GB/T 1447-2005标准测试方法测试拉伸性能。Instron 3382 可以加载100KN。对层间混杂和层内混杂复合材料进行测试。两种复合材料分别在经向(0°) 和纬向(90°)进行拉伸测试，每组五个试样。通过载荷峰值和试样的截面积来计算拉伸强度。在试样中间贴有应变片，通过这些试样的应力—应变曲线计算出杨氏模量。分别将拉伸强度和杨氏模量比上对应方向纤维的体积含量，得到归一化强度和归一化模量。在±45°方向上进行偏轴拉伸测试，每组三个试样，测试其剪切性能。夹头的加载速度为3 mm/min，隔距为10 cm。
3. 结果与讨论
3.1 混杂复合材料的拉伸性能
图3所示是层间混杂和层内混杂复合材料经向的拉伸应力—应变曲线，起初呈线性关系，之后由于树脂的微小裂痕，线性关系的斜率下降，然后再线性增加，直到材料失效。

图3 层间混杂和层内混杂复合材料经向应力—应变曲线