芳綸包覆碳纖維增強環氧樹脂的軸向壓縮性能研究

阮芳濤，夏成龍，張寶根，曹 葉，劉 志，徐珍珍，章勁草 ?

（1.安徽工程大學紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省紡織結構復合材料國際聯合聯合中心，安徽 蕪湖 241000；3.上海楚江企業發展有限公司，上海 200000）

0 前言

連續纖維增強復合材料是一類結合織物結構設計和復合材料成型技術的先進復合材料。具有高比強度和高比剛度的復合材料不僅具有減重效益，還可以通過結構優化設計和材料選配等方法改善材料的結構性能 和 效 能［1?4］。 連 續 碳 纖 維 增 強 樹 脂 基 復 合 材 料（CFRP）作為輕量化結構材料在航空航天、軍事工業和風力發電等領域得到廣泛的應用。但是由于連續纖維在復合材料中是以取向排列結構存在，導致其力學性能具有各向異性，在纖維軸向壓縮方向上由于受到纖維屈曲失穩、脫黏等破壞機理的影響，其抗壓縮破壞性能較差［5］。如單向碳纖維樹脂基復合材料的壓縮強度是其拉伸強度的50%～60%，對有機纖維來說這種趨勢更為明顯，如超高分子量聚乙烯纖維增強環氧樹脂的壓縮強度是其拉伸強度的10%［6］。當復合材料在三點彎曲載荷作用下，通常也是先在受壓面發生破壞［7］。近年來，CFRP的拉伸強度隨著碳纖維的性能提升而增高，但軸向壓縮是一類結構破壞而非材料破壞，因此提升幅度很少。在壓縮載荷的作用下，CFRP內部裂紋通常沒有緩慢擴展的過程，會由孔隙、疲勞、沖擊損傷、應力集中等現象而導致CFRP出現壓潰性的結構破壞［8］。CFRP較弱的軸向壓縮性能制約了其作為結構材料的系統效率發揮，也導致碳纖維的高性能在復合材料中得不到充分利用。

Rosen［9］最早研究了單向纖維復合材料的軸向壓縮斷裂模式，認為樹脂基體線彈性變形下的纖維屈曲失效是纖維增強復合材料壓縮破壞的主要損傷機理，當復合材料在承受纖維方向的強壓縮載荷時，會出現由纖維細觀失穩而引發的突然破壞，并由此建立了纖維屈曲失效模型。Argon［10］認為纖維增強復合材料壓縮破壞是一個屈曲過程，類似于金屬晶體扭結帶的形成過程，纖維的塑性微屈曲是復合材料壓縮破壞的主要原因。Srinivasa等［11］使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了單向碳纖維增強樹脂基復合材料壓縮破壞機理形式，觀察到局部區域纖維微屈曲導致纖維斷裂，認為形成不規則、階梯狀斷裂面是復合材料破壞的主要原因。Fleck［12］分析得出當纖維體積含量低時，易發生橫向屈曲失穩模式，纖維體積含量高時，則易發生剪切屈曲失穩模式。目前對于提高CFRP的軸向壓縮性能的方法主要是采用三維織造技術，在改善材料的分層破壞的同時也使其軸向壓縮強度得以提升。陳利等［13］制備了三維五向與六向編織復合材料，分析了不同編織角和紗線種類對兩種材料軸向壓縮性能的影響，研究結果表明壓縮強度、模量和泊松比都隨著編織角的增大呈現逐漸減小的趨勢，而且減小編織紗的細度能夠提高面內紗線的體積含量，從而提高材料的面內壓縮性能。三維編織復合材料壓縮性能的提高是以降低偏向紗在拉伸方向的性能為代價，在復合材料內部剩余較多編織空隙，使復合材料中的有效纖維體積含有率降低，降低了材料整體的結構效能。

藤蔓和竹子等植物的莖桿部分都有較大的長徑比，但是其抗壓強度比較好，即這類植物的壓桿穩定性較好，除了與模量和慣性矩有關，其本身的結構特點也具有提高軸向壓桿穩定的作用。本文采用仿生結構，通過單向、雙向纏繞法制備了不同包覆密度的芳綸長絲包覆碳纖維束，利用真空輔助樹脂轉移成型方法得到單根及多根碳纖維增強環氧樹脂復合材料，測試了不同包覆碳纖維的軸向壓縮強度，分析了包覆方式、纏繞密度和碳纖維束數量對復合材料軸向壓縮強度的影響規律。

1 實驗部分

1.1 主要原料

連續碳纖維，T300，日本東麗有限公司；

芳綸1414，110dtex，桐鄉軒泰復合材料有限公司；

高強度環氧樹脂，JL?235，常熟佳發化工有限公司；

高強度固化劑，JH?242，常熟佳發化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

熱壓機，YLJ?HP300，合肥科晶材料技術有限公司；

金相試樣磨拋機，MP?2B，濟南峰志試驗儀器公司；

微機控制電子萬能試驗機，WDW?20，濟南天辰試驗機制造有限公司；

高清CCD測量顯微鏡，GP?300C，昆山精密儀器有限公司；

SEM，S4800，日本日立公司。

1.3 樣品制備

包覆CFRP的制備：通過長絲纏繞法制備芳綸纖維包覆碳纖維束，本文設計了兩類纏繞方式，分別是單向（R）和雙向（S）纏繞，其纏繞方式如圖1所示；共制備了13種試樣，試樣編號列于表1，其中下標的數字表示芳綸長絲的纏繞密度，表示每2 cm芳綸在碳纖維束上的圈數，如R5表示2 cm芳綸在碳纖維上共纏繞了5圈，和R7和R10相比，其纏繞密度是最小的，R10的纏繞密度最大；TR表示復合材料試樣中有兩束碳纖維并列排放，R0和S0是未包覆的單束碳纖維增強環氧樹脂，TR0和TS0是未包覆的雙束碳纖維增強環氧樹脂；

表1 芳綸長絲包覆碳纖維增強環氧樹脂復合材料的試樣編號Tab.1 Sample number of aramid filament wrapped CFRP

圖1 纏繞法制備芳綸長絲包覆碳纖維示意圖Fig.1 Schematic diagram of aramid filament wrapped carbon fiber prepared by covering method

然后將一束或兩束碳纖維置于啞鈴狀模具中，采用真空輔助樹脂轉移成型法將纖維與環氧樹脂（樹脂和固化劑的質量比為10∶3）復合，固化成型后將采用磨拋機將試樣兩端磨平，制備出包覆纖維增強復合材料壓縮測試試樣，試樣的厚度為2 mm，其余尺寸如圖2所示。

圖2 芳綸長絲包覆碳纖維/環氧樹脂試樣Fig.2 Aramid filament wrapped carbon fiber/epoxy resin sample

1.4 性能測試與結構表征

軸向壓縮強度測定：采用電子萬能試驗機來測試復合材料軸向壓縮強度，測試時使用輔助夾持工具使得測試試樣保持豎立，并且壓縮破壞部位在試樣的中間部位，壓縮速率為2 mm/min，每組有效試樣數為10個，得到壓縮破壞最大應力Fmax，壓縮強度P為Fmax/S，S為試樣中部的橫截面積。

2 結果與討論

2.1 長絲纏繞參數對包覆碳纖維復合材料軸向壓縮性能的影響

在理想條件下，對單向纖維復合材料的軸向壓縮過程來說，由于增強纖維的剛度遠大于樹脂基體剛度，壓縮力主要由增強纖維來承擔，而纖維能承受壓縮載荷是由于得到了樹脂基體的橫向支撐，因此，單向纖維復合材料的壓縮問題實質上是橫向基體彈性支撐下纖維的臨界失穩應力問題。而在實際測試過程中，纖維復合材料的軸向壓縮主要存在以下幾種斷裂破壞模式：（1）若樹脂基體與纖維相比強度和韌性相對較弱時，會產生樹脂和纖維脫黏、樹脂基體斷裂；（2）若樹脂基體與纖維相比韌性和強度較高，但纖維與基體界面結合性能較差時，材料會產生分層缺陷及磨損損傷；（3）若樹脂基體與纖維相比，韌性和強度較高，且纖維與基體界面結合性能較好時，則材料會剪切破壞，即纖維屈曲失穩、壓潰。在以上情況中，斷裂破壞模式（3）最接近理想狀況，相應的復合材料壓縮強度最高，即壓縮性能較好。纖維增強復合材料在壓縮加載過程中發生的變形、破裂，會受到纖維模量、纖維初始排列位置、內部缺陷及樹脂界面等因素的影響，從而導致復合材料壓縮行為和破壞模式的變化。本實驗制備的測試試樣中的碳纖維含量較小，環氧樹脂和碳纖維間的粘結性能較好，壓縮破壞模式為纖維屈曲失穩繼而壓潰，出現了碳纖維扭折角。

從圖3可以看出，使用芳綸長絲纏繞的包覆碳纖維增強環氧樹脂試樣的軸向壓縮強度均有不同程度的提高。對于單向纏繞碳纖維復合材料來說，R10、R7和R5相較于未纏繞的R0，軸向壓縮強度分別增加了44.2%，25%和17.16%。單向纖維增強復合材料在承壓時，纖維先達到臨界失穩狀態，之后發生纖維屈曲或微屈曲，屈曲發生在局部纖維彎折區域，并在彎折兩端形成帶狀斷裂，當外加壓力達到壓縮強度附近時，纖維復合材料的某一特征斜截面上會突然出現形成貫穿型折帶，即產生纖維扭折破壞，包覆纖維的作用體現在屈曲階段，如圖4所示。從材料力學的壓桿穩定力學角度出發，由于碳纖維和樹脂基體的模量相差很大，纖維屈曲失穩符合歐拉壓桿失穩定理，即：

圖3 不同方式包覆環氧樹脂/碳纖維的壓縮強度Fig.3 Compressive strength of carbon fiber/epoxy resin wrapped in different covering methods

圖4 纖維復合材料壓縮載荷下增強纖維的曲屈失穩Fig.4 Buckling instability of fibers under compressive load

式中Pcr——臨界壓縮載荷

GEI——纖維的彎曲剛度

l——屈曲波長

采用纖維包覆方法可使增強纖維在壓縮屈曲過程中受限，若在纖維發生屈曲失穩時，屈曲波長l受限變短，那臨界壓縮載荷Pcr將會提升，如圖5所示。并且l的值越小，Pcr的值將越大。從芳綸長絲包覆密度數據來看，是符合歐拉公式的。從圖1的數據還可看出，芳綸長絲的包覆方式對軸向壓縮強度也有較大的影響。當包覆密度相同時，R5、R7、R10相較于S5、S7、S10能承受的壓縮強度分別增加了55.28%、12.98%和58.24%。當采用雙向纏繞包覆方式時，屈曲失穩階段碳纖維將得到更多的支撐點F0，壓縮屈曲力可以由相對稱的產生的拉伸力相抵消，使其臨界屈曲力增大壓縮屈曲力進一步提升［14］。

圖5 包覆法限制纖維屈曲原理圖Fig.5 Schematic diagram of limiting fiber buckling by covering method

2.2 增強纖維束的數量對包覆碳纖維復合材料軸向壓縮性能的影響

復合材料的實際應用中，碳纖維束的量非常多，相鄰的碳纖維束會相互影響，因此有必要分析復合材料中多束增強碳纖維的軸向壓縮情況。圖6、圖7對比了單束和雙束碳纖維/環氧樹脂的壓縮強度，不論是單向纏繞還是雙向纏繞，雙束碳纖維增強樹脂的軸向抗壓強度都要比單束的試樣要高。從實驗數據可以得出，TR5、TR7和TR10的壓縮強度分別比R5、R7和R10增加了56.44%、71.44%和 52.69%。TS5、TS7和 TS10的壓縮強度分別比S5、S7和S10增加39.59%、44.1%和25.76%。和未纏繞的單束碳纖維/環氧樹脂相比，未纏繞的雙束碳纖維/環氧樹脂增強了18.59%，以此作為基準除去碳纖維體積含有率的影響。TR5、TR7和TR10的壓縮強度分別比R5、R7和R10增加了37.85%、52.85%和33.8%。TS5、TS7和TS10的壓縮強度分別比S5、S7和S10增加了21%、25.51%和7.17%。這表明隨著碳纖維束的增多，軸向壓縮強度變大。這是因為碳纖維束增多在承受壓縮載荷時，在碳纖維發生屈曲后進而局部纖維形成彎折區域時，除了受到包覆纖維的影響之外，其鄰近的高模量碳纖維也會限制其屈曲狀態，從而提高其壓縮強度，但是其影響的范圍有限，存在極限值。Ueda等［15］研究發現，單向碳纖維復合材料的軸向壓縮強度極限是1 800 MPa。采用包覆結構的碳纖維或許能夠突破極限值，使得軸向壓縮強度能夠得到進一步的提升。

圖6 單向方式包覆碳纖維/環氧樹脂的壓縮強度Fig.6 Compressive strength of covering carbon fiber/epoxy resin with one?way method

圖7 雙向方式包覆碳纖維/環氧樹脂的壓縮強度Fig.7 Compressive strength of covering carbon fiber/epoxy resin with two?way method

3 結論

（1）不論是單向纏繞還是雙向纏繞，纖維纏繞密度越大，包覆碳纖維復合材料的壓縮強度越高；

（2）相較于單向包覆的碳纖維復合材料，雙向包覆的復合材料中的纖維受到壓縮時發生的屈曲波長越小，臨界荷載越大，使用雙向包覆的碳纖維復合材料能夠承受的臨界壓縮荷載更大，壓縮強度越高；

（3）增強纖維束的數量會影響包覆復合材料壓縮時的屈曲狀態，纖維束的量越多，屈曲受限的程度越大，但存在臨界值。