芳纶/炭混编三维编织复合材料力学性能实验

郝 露，孙 颖，张鹤江，李嘉禄

(天津工业大学 先进纺织复合材料天津市和教育部共建重点实验室，复合材料研究所，天津 300387)



芳纶/炭混编三维编织复合材料力学性能实验

郝 露，孙 颖，张鹤江，李嘉禄

(天津工业大学 先进纺织复合材料天津市和教育部共建重点实验室，复合材料研究所，天津 300387)

基于三维五向和三维六向编织结构，设计并制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料，对比分析了芳纶/炭纤维混编方式(混编比)对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。结果发现，同一种混编方式下，芳纶/炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料，而其横向弯曲性能均低于三维六向编织复合材料；同一种编织结构下，炭纤维为轴纱/六向纱的芳纶/炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能较高；炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。通过设计芳纶和炭纤维的混编方式，可进一步实现三维编织复合材料性能的可设计性。

三维编织复合材料；混编方式；拉伸；三点弯曲

0 引言

三维编织复合材料具有结构不分层、整体成型性好、设计灵活、抗冲击损伤容限高等特点。三维编织预制件可近净尺寸成型异型构件[1-2]，逐渐成为承力结构件和具有某些特殊功能复合材料构件的备选材料之一，用于航天和国防等高技术领域[3-4]。常用的三维五向和三维六向编织复合材料，可实现在特定方向上的性能设计。将高断裂伸长率的芳纶纤维与低断裂伸长率的炭纤维混杂制得的混杂复合材料，兼顾了强度、刚度、韧性和质量等特性，既提高了芳纶纤维复合材料的比强度和比模量，又增强了炭纤维复合材料的冲击韧性。

Kostar[5]研究了芳纶与炭纤维混杂比1∶1、混杂方式为双侧混杂的三维四向编织复合材料拉伸性能，发现混杂复合材料拉伸强度和模量均高于单一芳纶纤维和炭纤维三维编织环氧复合材料。Wan[6-7]研究了芳纶纤维体积比分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%时，芳纶/炭混杂三维四向编织马来酰亚胺复合材料弯曲性能、剪切性能和冲击性能。实验发现，芳纶与炭纤维混杂比为2∶3的复合材料弯曲强度和模量最大，均高于任何一种单一纤维复合材料；增加芳纶纤维比例可提高混杂复合材料的抗冲击性能。谷李华[8]采用了与Wan相同的混杂比和混杂方式，对芳纶/炭混杂编织物进行(NH4)2HPO4+H3PO4处理，制备了芳纶/炭混杂三维四向编织环氧复合材料。实验结果表明，随着芳纶纤维比例的增加，冲击强度得到了很大的改善；随着炭纤维比例的增加，材料弯曲性能显著提高，表现出正混杂效应。混杂纤维复合材料包括纤维混杂和几何混杂两个层次[9]，纤维混杂是指不同纤维间的混合；几何混杂是指编织结构不同位置上采用不同的纤维。作为几何混杂形式之一，混编是指编织纱、轴纱和六向纱分别采用不同的纤维进行混和编织。以上研究工作大多围绕纤维混杂三维编织复合材料开展。与纤维混杂的芳纶/炭混杂复合材料不同，混编三维编织复合材料性能的可设计性更强，加工过程对纤维损伤最小。方丹丹[10]探讨了炭纤维体积比分别为0%、20%、40%、60%、75%、82%和100%时，编织纱为炭纤维或玻璃纤维，轴纱为玻璃纤维或炭纤维交互布置的7种混编方式玻璃/炭混编三维五向编织环氧复合材料低速冲击和冲击后弯曲性能。实验结果表明，混编方式严重影响冲击和弯曲性能。

本文基于三维五向和三维六向编织结构，设计了炭纤维作为编织纱、芳纶作为轴纱/六向纱，以及芳纶作为编织纱、炭纤维作为轴纱/六向纱2种混编方式。采用树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，RTM)工艺，制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料，对比分析了芳纶/炭纤维混编方式(混编比)对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能和纵向、横向弯曲性能的影响。

1 实验

为了使材料在特定方向上具有较突出的性能，在三维四向编织结构基础上编入或同时编入平行于编织方向、宽度方向和厚度方向的轴纱、六向纱和七向纱，可分别形成三维五向、六向和七向编织结构，如图1所示[11]。其中，以三维五向和三维六向编织结构较为常用。文中芳纶/炭混编三维编织复合材料的芳纶选用杜邦Kevlar49，细度为1580dTex×4合股，炭纤维选用日本东丽公司T700，细度为12K，基体为环氧/酸酐树脂体系，主体树脂选用天津晶东化学复合材料有限公司生产的TDE 86#环氧树脂，组分材料参数见表1。在天津工业大学复合材料研究所自制的三维编织机上编织预制件，采用树脂传递模塑(RTM)工艺，制备4种复合材料平板大样，参数如表2所示。

(a)三维四向 (b)三维五向

(c)三维六向 (d)三维七向图1 三维编织结构示意图[11]Fig.1 Schematic of 3D braided structure[11]

表1 组分材料参数表[5，12]Table1 Parameters of the ingredients

三维编织复合材料力学性能测试方法还没有统一的标准，实验环境、操作方法参照《纤维增强塑料性能试验方法总则》(GB/T 1446—2005)，拉伸和弯曲性能测试参照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》(GB/T 1447—2005)和《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》(GB/T 1449—2005)。采用岛津AG-250KNE型万能材料试验机测试，由电阻应变片测定应变，YD-15 型动态电阻应变仪采集信号。依据国标对大样切割制样，如图2所示，拉伸、弯曲试样尺寸分别为250mm×25mm×4mm、80mm×15mm×4mm，每组5个试样取平均。试样编号原则为：首字母为加载方向(L=longitudinal，T=transverse)，第二个字母为加载形式(T=Tension，F=Flexure)，最后为序号。

表2 芳纶/炭混编三维编织复合材料参数Table2 Specifications of K/C hybrid 3D braided composites

图2 实验取样示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental sampling

2 结果与讨论

2.1 纵向拉伸性能

芳纶/炭混编三维五向和六向编织复合材料纵向拉伸应力-应变曲线见图3，在试样拉伸破坏之前，呈现较好的线性关系，基本保持一条直线。

纵向拉伸性能基本指标如表3所示。与同一种混编方式下三维六向编织复合材料相比，三维五向编织复合材料拉伸强度、模量和泊松比更高，而断裂伸长率更低。其中，拉伸强度分别高出51.5%和11.7%、拉伸模量分别高出16.9%和4.8%、泊松比分别高出35.4%和33.3%。纤维体积含量相近时，三维五向编织复合材料轴纱含量高；同时，六向纱的引入限制了复合材料宽度方向的变形，导致泊松比略低。轴纱为炭纤维的三维五向编织复合材料的拉伸强度和模量分别高出轴纱为芳纶纤维复合材料的1.3%和22.3%，轴纱为炭纤维的三维六向编织复合材料分别高出轴纱为芳纶纤维复合材料的37.4%和36.4%，这是由于炭纤维作为轴纱，其强度和模量高于芳纶纤维。轴纱是承受纵向拉伸载荷的主力，在很大程度上影响着复合材料纵向拉伸性能。

图3 芳纶/炭混编三维五向和六向编织复合材料纵向拉伸初始阶段应力-应变曲线Fig.3 Initial stage stress-strain curves of K/Chybrid 3D5d and 3D6d braided compositesunder longitudinal tension

表3 芳纶/炭混编三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能Table3 Longitudinal tensile properties of K/C hybrid 3D5dand 3D6d braided composites

无论三维五向还是三维六向编织复合材料，在纵向拉伸过程中，复合材料表面很薄的树脂层首先产生裂纹，裂纹逐渐增生扩展，直至纤维束承载至断裂。在拉伸承载过程中，试样发出轻微的响声。其中，轴纱/六向纱为芳纶纤维的三维编织复合材料在拉伸一段时间后，才发出断裂响声直至拉断，轴纱/六向纱为炭纤维的三维编织复合材料的断裂响声贯穿承载全过程。

试样宏观拉伸断口观测发现，第一种混编方式下，芳纶和炭纤维同时被拉长，芳纶纤维完全断裂后丝束无连接；第二种混编方式下，断口处芳纶纤维毛羽多，不规整，纤维明显拉长，炭纤维断口平整，如图4所示。这是因为Kevlar-49纤维断裂伸长率为2.4%，T700炭纤维断裂伸长率为1.0%，拉伸承载过程中，断裂伸长率低的炭纤维先发生断裂，芳纶纤维被拉得更长至断裂，且芳纶纤维部分断裂后，丝束仍保持连接，抽拔严重。无论哪种混编方式，三维五向编织复合材料断口略倾斜呈锯齿状，纤维抽拔严重，而三维六向编织复合材料断口基本平齐，纤维束呈现正应力的拉断特征。观测断口处纤维发现，三维五向较三维六向编织复合材料中，炭纤维从树脂中拔出，断口处纤维间树脂出现粉碎性破坏，炭纤维断面层次规整，呈现脆性破坏特性。芳纶纤维与树脂脱粘，芳纶丝束屈曲、伸长大、规整度差，断口处出现劈裂和微纤化，呈现塑性破坏特性，与宏观现象吻合。

图4 4种芳纶/炭混编三维编织复合材料纵向拉伸破坏形貌图Fig.4 Longitudinal tensile fracture morphologies of fourK/C hybrid 3D braided composites

2.2 纵向和横向弯曲性能

芳纶/炭混编三维五向和六向编织复合材料的纵向和横向弯曲载荷-挠度曲线分别如图5所示，曲线在初始阶段呈现出较好的线性关系。芳纶作为轴纱和六向纱的三维编织复合材料的弯曲载荷-挠度曲线达到最大值后，缓慢下降至平缓，呈现出明显的塑性变形特征。炭纤维作为轴纱和六向纱的三维编织复合材料的弯曲载荷-挠度曲线达到最大载荷后迅速下降，呈现出显著的脆性变形特征。

(a)纵向弯曲

(b)横向弯曲

表4 芳纶/炭混编三维五向和三维六向编织复合材料纵向/横向弯曲性能Table4 Bending properties in the both longitudinaland transverse of the composites

结合表4中纵向弯曲性能结果可发现，与同一种混编方式下三维六向编织复合材料相比，三维五向编织复合材料的纵向弯曲强度和模量分别高了19.4%和17.5%、82.2%和78.8%。纤维体积含量相近时，三维五向编织复合材料轴纱含量高，轴纱对纵向弯曲性能贡献大 。炭纤维为轴纱的三维五向编织复合材料纵向弯曲强度和模量分别高出芳纶纤维为轴纱复合材料的63.2%和11.9%，炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向复合材料高出芳纶纤维为轴纱/六向纱复合材料的65.8%和9.8%。对于三维五向编织复合材料，虽然第1种混编方式材料的炭纤维混编比高于第2种混编方式，但后者的弯曲强度和模量较高。这是因为炭纤维轴向强度和模量高于芳纶纤维，说明轴纱材料特性和混编方式对三维编织材料纵向弯曲性能的影响很大。

横向弯曲性能对比结果可看出，炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料的弯曲强度和模量高出芳纶为编织纱、炭纤维为轴纱的材料。这是因为三维五向编织复合材料承受横向弯曲载荷时多为倾斜的编织纱和树脂，由于芳纶表面极性官能团较少、表面光滑，与树脂基体界面的粘接性能差，而T700炭纤维与环氧树脂的结合力较好。炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向编织复合材料横向弯曲强度和模量较芳纶纤维为轴纱/六向纱的复合材料分别高出42.3%和11%，且明显高出三维五向编织复合材料。这是因为横向弯曲时六向纱主要承载，六向纱材料特性直接影响横向弯曲性能；同时，六向纱的引入增强了三维六向编织复合材料的横向弯曲性能。

(a)纵向弯曲

(b)横向弯曲

纵向和横向弯曲变形照片(图6)可看出，卸载后试样侧面变形不大，和文献[2]中单一炭纤维复合材料相比，没有发生脆性断裂，而仅仅是塑性变形。三点弯曲时，上表面产生裂纹较下表面的受拉面减少，主要为纤维损伤。裂纹一是由于夹具头的机械压伤；二是由于弯折挤压作用。下表面树脂基体产生了许多微小裂纹，且由中间受力点向试件两端扩展并逐渐减少，随着弯曲载荷的增大，造成树脂和纤维脱粘。三维六向编织复合材料表面裂纹和纤维损伤较三维五向编织复合材料少，这是因为六向纱起到了引导裂纹扩展的作用。炭纤维为编织纱的三维五向编织复合材料表面裂纹较芳纶纤维为编织纱的复合材料材料裂纹少。

3 结论

(1)第1种混编方式下，三维五向编织复合材料纵向拉伸强度、模量和泊松比分别高出三维六向编织复合材料51.5%、16.9%和35.4%，第2种混编方式下分别高出11.7%、4.8%、33.3%。三维五向编织结构下，第2种混编方式的纵向拉伸强度和模量分别高出第1种混编方式1.3%和22.3%，三维六向编织结构下分别高出37.4%和36.4%。因此，芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱(第2种混编方式)的三维五向编织复合材料纵向拉伸性能较好。

(2)第1种混编方式下，三维五向编织复合材料的纵向弯曲强度和模量较三维六向编织复合材料高出19.4%、82.2%，第2种混编方式下分别高出17.5%和78.8%。三维五向编织结构下，第2种混编方式三维编织复合材料纵向弯曲强度和模量分别高出第一种混编方式63.2%和11.9%，三维六向编织结构下分别高出65.8%、9.8%。因此，芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱(第2种混编方式)的三维五向编织复合材料纵向弯曲性能较好。

(3)无论哪种混编方式，三维六向编织复合材料的横向弯曲性能高于三维五向复合材料。第2种混编方式的三维六向编织复合材料横向弯曲强度和模量较第1种混编方式高出42.3%和11%。因此，炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱(第1种混编方式)的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱/六向纱(第2种混编方式)的三维六向编织复合材料横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显较高。

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(编辑：薛永利)

Experimental investigation on the mechanical properties of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites

HAO Lu，SUN Ying，ZHANG He-jiang，LI Jia-lu

(Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Tianjin and Ministry of Education， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Based on the 3D 5-directional(5d)and 6-directional(6d)braided structure, four kinds of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites were prepared.Then,the influence of hybrid style or hybrid percentage on the longitudinal tensile properties and the flexural properties in both longitudinal and transverse directions of 3D5d and 3D6d braided composites were investigated.With the same hybrid style,the experimental studies show that both tension and flexural properties in longitudinal direction of 3D 5d braided composites are higher than those of 3D 6d braided composites,but its flexural properties in transverse direction are lower than those of 3D 6d braided composites.With the same braided structure,the tensile and flexural properties in longitudinal direction of the hybrid composites using carbon fiber as axial yarn and transverse yarn are higher than others. When 3D 5d braided composites using carbon fiber as braided yarn,Kevlar fiber as axial yarn and 3D 6d braided composites using Kevlar fiber as braided yarn,carbon fiber as axial and transverse yarn,it is found that their flexural properties in transverse and the crack propagation resistant are improved obviously.Through the tailor of Kevlar/carbon hybrid style,the designability of Kevlar/carbon hybrid 3D multi-directional braided composites can be realized further.

three-dimension braided composites；the hybrid style；tension；three point bending

2014-08-20；

：2014-09-26。

基金基目：国家自然基金青年科学基金项目(11102133)；国家质量监督检验检疫总局项目(201210260)。

郝露(1988—)，女，硕士生，研究方向为三维编织复合材料。E-mail：haolude1314@126.com

孙颖(1974—)，女，教授，研究方向为纺织结构复合材料制备与性能。E-mail：sunying@tjpu.edu.cn

V448.15

A

1006-2793(2015)04-0727-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.023