丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料的弯曲性能研究

赵德方，董玉莹，阳玉球，藤原清志，滨田泰以

(1.东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620； 2.马自达汽车公司，日本 广岛 7340000；3.京都工艺纤维大学，日本 京都 6068799)



丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料的弯曲性能研究

赵德方1a，董玉莹1a，阳玉球1b，藤原清志2，滨田泰以3

(1.东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620； 2.马自达汽车公司，日本 广岛 7340000；3.京都工艺纤维大学，日本 京都 6068799)

摘要:通过对丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料进行三点弯曲、低周弯曲疲劳测试，研究了丝绸的加入对其弯曲性能的影响。结果表明：丝绸在第三层的混杂型复合材料的弯曲模量和强度在三种混杂型复合材料中最高，比丝绸在第一层的混杂型复合材料分别高出16.3%和8.1%。丝织物的经纬方向虽有差异，但是在复合材料中没有体现出来。55%，70%和85%三个预加载水平的低周弯曲疲劳对其没有产生显著的影响。丝绸的加入可以改善玻璃纤维毡增强复合材料的抗弯曲疲劳性能。

关键词:丝织物；玻璃纤维；毡增强复合材料；三点弯曲；低周弯曲疲劳

聚合物基复合材料和金属、陶瓷、玻璃等传统材料相比，具有许多优点，例如低密度、轻质高强、低成本、设计和组装灵活、良好的尺寸稳定性和抗腐蚀性[1-2]。玻璃纤维增强复合材料的应用领域十分广泛，例如航空航天飞机的制造、汽车零部件、建筑材料、船舶制造等。

丝绸具有光泽柔和、手感细腻，吸湿性、透气性良好，悬垂性优良等特性，一直是人们青睐的高品质服装面料[3]。近年来，随着自然资源的紧缺，人们的环保意识不断增强，从可持续发展、经济角度出发，各国相继不同程度地开展起废旧纺织服装的回收工作[4]。因此，回收再利用废旧丝绸服装面料日益受到重视。

复合材料在使用的过程中，将受到弯曲、疲劳等作用，复合材料的力学性能的研究一直是该领域的研究重点。当复合材料在受到重复、间歇的外力作用时会发生疲劳，材料通常具有一个疲劳极限应力，低于极限应力时不会发生疲劳破坏。玻璃纤维增强复合材料和金属材料相比，破坏更加复杂,因为在强度和刚度方面具有各向异性特征。事实上，玻璃纤维增强复合材料的非均匀和各向异性的性质导致产生不同的应力水平的变形，断裂过程包括各种破坏模式的组合，例如基体开裂、纤维断裂、脱粘、分层破坏。复合材料的疲劳断裂破坏一般是整个材料破坏的积累，断裂通过裂纹的扩展最终发生在材料的某一截面上[5]。许多研究者对复合材料的疲劳行为进行了研究：HWANG W等[6]提出了预测复合材料疲劳寿命的疲劳模量。KULKARNI N等[7]研究了泡沫夹心结构复合材料进行弯曲疲劳测试时的裂纹扩展，提出了一种基于局部破坏的模型。还有学者对玻璃纤维平纹织物/环氧树脂复合材料进行了实验和理论模拟，使用刚度降解作为监测混杂复合材料弯曲性能破坏的研究方法[8-10]。YANG X等[11]和REN J等[12]研究了不同应力水平对二维炭/炭复合材料疲劳行为的影响，提出了裂纹的缓慢扩展是动态疲劳断裂的主要因素。BEYENE A T等[13]和MOVAGHGHAR A等[14]研究了玻璃纤维织物/环氧树脂复合材料弯曲疲劳的破坏机制，提出了预测疲劳寿命和评价累计损伤的能量模型。这些研究主要集中于对高性能纤维增强复合材料弯曲疲劳性能的探究，目前对丝织物/高性能纤维增强复合材料弯曲疲劳性能的研究鲜有报道。

本文采用新的丝织物和玻璃纤维毡作为增强体，不饱和树脂作为基体，采用手糊成型的方法制作丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料，作为此研究的第一步，而后采用三点弯曲和低周弯曲疲劳测试方法研究丝绸的加入对于玻璃纤维毡增强复合材料弯曲性能的影响。

1　材料与方法

1.1材料

试验采用的增强体是玻璃纤维毡和丝织物。玻璃纤维毡(#450，日本中央玻璃公司)的平方米质量450 g/m2，玻璃纤维由长纤维切割而成，平均长度为50 mm，在纤维毡中呈杂乱分布，并由热固性物质加固而成。采用的丝织物是平纹绉布(京都工艺纤维大学)，平方米质量142 g/m2，织物表面具有褶皱，经密580根/10 cm，纬密223根/10 cm。经纱为复丝：28.9 dtex/4 f，无捻。纬纱的配置采用强捻纱与弱捻纱交替，强捻纱为复捻丝：23.3 dtex/12 f+23.3 dtex/3 f，弱捻纱也为复捻丝：23.3 dtex/3 f×5。基体采用的是不饱和树脂150HRBQNTNW (Showa：RIGORAC)，固化剂为MEKPO(PERMEK N；NOF Corporation)。不饱和树脂的基本信息如表1所示。

表1　不饱和树脂的性能

1.2成型方法

本样品采用手糊成型方法制作。首先，配制不饱和树脂与固化剂的混合液，树脂与固化剂的比例为100:0.7，称取适量树脂，按比例算出所需固化剂加入到树脂中。然后药匙搅拌使树脂与固化剂充分混合，将混合液放入真空干燥箱中抽真空排出气泡。在工作台上铺一层干净的PET膜，倒适量配好的树脂于PET膜上，将玻璃纤维毡放在树脂上，用小罗拉轻推树脂使纤维毡得到充分浸润，再倒一部分树脂于纤维毡上，用小罗拉轻推树脂使纤维毡得到进一步浸润，当纤维毡全部浸润后铺第二层纤维毡，重复上述工作直至所有铺层完成。取另一张干净的PET膜轻轻盖在纤维毡上，用金属辊边推边压表面，把多余的树脂推到两边，起到赶走气泡和密封的作用。在完成铺层的材料两边放上相同厚度的铝片，以控制复合材料的厚度，在复合材料上方压上铁板及重物，在室温下放置12 h进行固化。12 h后，拿出已固化的材料板放进烘箱进行后固化处理，烘箱温度为55 ℃，烘燥时间为1 h。

1.3层合板结构

由手糊成型方法制备的复合材料有四种，每种复合材料有五层，层合板结构如图1所示。以图1(c)为例，丝织物在复合材料的第五层，其余四层都是玻璃纤维毡。测得成型后混杂复合材料中玻璃纤维和丝纤维的体积分数分别在14.5%和2.4%左右，玻璃纤维毡增强复合材料中玻璃纤维的体积分数在22.0%左右。

1.4试验

1.4.1三点弯曲

三点弯曲试验采用的仪器是电子万能试验机，型号是QJ-212C。测试速度1 mm/min，至少测试三个试样。按照国标GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，样品尺寸(90±0.5)mm×(15±0.5)mm×(4.5±0.2)mm，测试时采用的跨距为72 mm。

图1层合板结构

Fig.1The structure of lamination

1.4.2低周弯曲疲劳

采用定载荷疲劳，分别取弯曲试验中最大弯曲载荷的55%、70%和85%作为低周弯曲疲劳测试的三个预加载水平，设定疲劳的次数为30次。在疲劳的过程中，每3个循环记录一次弯曲模量，以考察在疲劳的过程中弯曲疲劳行为。在完成30次低周疲劳后，进行三点弯曲测试，直至试样弯曲破坏。将低周疲劳后最终弯曲断裂试样的弯曲性能和未进行低周疲劳测试正常弯曲试样进行比较，确定低周疲劳对试样是否产生了显著影响。低周疲劳的测试速度为1 mm/min，重复三个试样。

为了简化试样的名称，对试样进行了英文缩写，缩写所代表的含义如表2所示。

表2　试样名称缩写

2　结果与分析

2.1三点弯曲

试样弯曲破坏的过程由摄像机记录(拍摄时相机放在两个下压头中间，对着试样的底面拍摄，是仰视图，正视图如图2右下角所示)。所有类型的丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料具有相似的破坏过程。以典型试样3-W为例(图2)，试样的弯曲破坏过程可以分为五个阶段：第1阶段，上压头开始接触试样，是试样的初试状态；第2阶段，在试样中间开始出现裂纹，此时的载荷接近试样能承受的最大载荷；第3阶段，裂纹不断的扩展和增长，这个阶段的时间较短；第4阶段，此时达到试样所能承受的最大载荷，试样发生了弯曲断裂；第5阶段，试样最终弯曲断裂。玻璃纤维毡增强复合材料弯曲破坏的过程和混杂型复合材料没有明显的区别。

图2　丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料弯曲断裂的过程Fig.2　Bending failure process of silk fabric/glass fiber mat hybrid reinforced composite

试样的弯曲模量和强度如图3所示。以1-W、3-W、5-W比较为例，当丝绸在复合材料的中间一层时，弯曲模量和弯曲强度分别是5.7 GPa和144.2 MPa，在这三种混杂复合材料中最高，比丝绸在第一层时的复合材料分别高出16.3%和8.1%。而且这种混杂复合材料最接近玻璃纤维毡增强复合材料的弯曲模量和强度，特别是弯曲模量。丝绸在第一层和第五层时复合材料的弯曲模量和强度相差不大。当丝绸在复合材料的某一层时，虽然丝织物的经纬向存在差异(径向拉伸强度为464 N，纬向拉伸强度为381 N)，但是复合材料的0°和90°方向上的弯曲模量和强度相差不大。因此，丝织物的经纬向对混杂复合材料的弯曲性能影响不明显。

图3　弯曲模量和弯曲强度比较Fig.3　Comparison of flexural modulus and flexural strength

弯曲过程中最大挠度测试结果如图4所示。由图4可见，当丝绸在第五层时，弯曲挠度最大；在第一层时，弯曲挠度次之；在中间一层时，弯曲挠度最小。因此，丝绸在复合材料中的积层位置对混杂复合材料的弯曲性能产生了显著的影响。

图4　弯曲过程中的最大挠度比较Fig.4　Comparison of maximum deflection in bending

试样的光学观察照片如图5所示。从图5可以看出：试样弯曲破坏的主要模式是压缩破坏，裂纹从拉伸面向压缩面扩展。与丝绸在第一层、第五层的试样相比，丝绸在复合材料中间一层的试样纵向裂纹长度相对较短，并且裂纹只扩展到丝织物附近，沿着加载的方向，丝织物的下方几乎看不到裂纹的扩展。当丝绸在复合材料的第一层时，丝织物主要受到压缩作用；当丝绸在第五层时，主要受到拉伸作用；而当丝绸在中间一层时，受到的拉和压作用都比较弱。分析认为，玻璃纤维毡在复合材料中比丝织物能承受更强的弯曲作用，而且丝织物的存在阻止了裂纹的进一步扩展，使试样在弯曲过程的分层现象减弱，提高了玻璃纤维毡增强复合材料的抗分层能力，使试样抗弯曲能力提高。因此，丝绸在中间一层的混杂复合材料的弯曲模量和强度最高。

当丝绸在复合材料某一层时，复合材料试样的0°和90°方向上的纵向裂纹长度接近，裂纹的扩展情况和分层情况也十分类似。因此，沿着丝织物的经纬向，复合材料0°和90°方向上的弯曲性能相差不大。

图5　弯曲断裂试样的光学观察照片Fig.5　The optical micrographs of bending fracture sample

当丝绸在复合材料的第五层时，纵向裂纹长度最大；在第一层时，纵向裂纹长度次之；在中间一层时，纵向裂纹长度最小。因此，当丝绸在第五层时，弯曲挠度最大；在第一层时，弯曲挠度次之；在中间一层时，弯曲挠度最小。

2.2低周弯曲疲劳

图6　55%、70%和85%预加载水平低周弯曲疲劳过程中的 弯曲模量Fig.6　Flexural modulus during 55%, 70% and 85% pre-load low cycle bending fatigue (LCBF ) process

在55%、70%和85%预加载水平下，弯曲疲劳过程中的弯曲模量如图6所示，弯曲疲劳前后的弯曲模量如图7所示。图中显示，55%和70%预加载水平的低周疲劳对混杂复合材料和玻璃纤维毡增强复合材料的弯曲模量的影响都不大。丝绸在混杂复合材料的积层位置和丝织物的经纬向对低周弯曲疲劳的影响不大。例如在55%预加载水平下，当丝绸在第一层沿着丝织物的经向时(即1-W)，疲劳过程中的弯曲模量为5.0 GPa左右，在疲劳过程中的变化不大。正常弯曲的模量为4.9 GPa，弯曲疲劳后的模量为4.6 GPa，疲劳前后的模量下降率为6.1%，小于10%。比较1-W、3-W和5-W，疲劳前后的模量下降率都小于10%，并且差异不大，说明丝绸在复合材料中的积层位置对55%载荷水平的弯曲疲劳影响不大。比较1-W和1-F，疲劳前后的模量下降率也都小于10%，差异也不大，说明丝织物的经纬向对55%预加载水平的弯曲疲劳影响也不大。

对于85%预加载水平低周疲劳，则出现了不同的情况。1-F在弯曲疲劳过程中模量为4.8 GPa左右，CV值为2.6%，在疲劳过程中的模量变化不大，正常弯曲试样的模量为4.7 GPa，弯曲疲劳后的模量为4.5 GPa，弯曲疲劳前后的模量变化也不大。可知85%预加载水平的弯曲疲劳对1-F的弯曲模量影响不大，对于其他几种类型混杂复合材料影响也不大。而另一方面，玻璃纤维毡增强复合材料试样分别在24、25和27次低周疲劳时发生了弯曲断裂，说明85%预加载水平的弯曲疲劳对玻璃纤维毡增强复合材料产生了显著的影响。

图7　55%、70%和85%预加载水平低周弯曲疲劳前后的弯曲模量对比Fig.7　Comparison of flexural modulus before and after 55%, 70% and 85% pre-load LCBF

图8为55%、70%和85%预加载水平低周弯曲疲劳前后的弯曲强度对比。在55%和70%预加载水平下，弯曲疲劳前后的弯曲强度下降率小于10%，说明55%和70%预加载水平的低周弯曲疲劳对混杂复合材料和玻璃纤维毡增强复合材料的弯曲强度没有产生显著的影响；丝绸在复合材料中的积层位置和丝织物的经纬向对低周弯曲疲劳影响也不大。

对于85%预加载水平低周疲劳，情况则不同。混杂复合材料的疲劳前后弯曲强度下降率小于10%，而玻璃纤维毡增强复合材料弯曲强度下降率大于10%，并且试样在弯曲疲劳的过程中发生断裂，说明85%预加载水平的弯曲疲劳对混杂复合材料影响不大；丝绸在复合材料中的积层位置及丝织物的经纬向的差异也不明显，然而对玻璃纤维毡增强复合材料产生了显著的影响。由此可见，丝织物的加入增强了玻璃纤维毡增强复合材料的抗弯曲疲劳性能。

图8　55%、70%和85%预加载水平低周弯曲疲劳前后的r弯曲强度对比Fig.8　Comparison of flexural strength before and after 55%, 70% and 85% pre-load LCBF

图9　两种类型复合材料在85%预加载水平弯曲疲劳后r弯曲断裂的光学观察照片对比Fig.9　Comparison of bending failure optical micrographs of two composites after 85% pre-load LCBF

在低周弯曲疲劳作用下，两种不同类型复合材料弯曲破坏后试样的光学观察照片如图9所示。以85%预加载水平低周弯曲疲劳作用下丝绸在第三层的混杂复合材料为例，与玻璃纤维毡增强复合材料相比，纵向裂纹长度相对较短，整体裂纹扩展情况和分层现象相对较轻。说明丝绸的加入，在一定程度上阻止了裂纹的扩展，提高了试样的载荷承受能力，增强了玻璃纤维毡增强复合材料的抗弯曲疲劳性能。

3　结　论

1)当丝绸在复合材料的中间一层时，弯曲模量和弯曲强度在三种混杂复合材料中最高，比丝绸在第一层的复合材料分别高出16.3%和8.1%。当丝绸在第五层时，弯曲挠度最大；在中间一层时，弯曲挠度最小，说明丝绸在复合材料中的积层位置对丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料的弯曲性能产生了显著的影响。沿着丝织物的经纬向，复合材料的弯曲性能相差不大。

2)丝绸在复合材料中间一层时，当试样在进行弯曲测试时，丝绸受到的拉伸和压缩作用相对较小，丝绸的存在阻止了裂纹的进一步扩展，使试样在弯曲过程的分层现象减弱，提高了玻璃纤维毡增强复合材料的抗分层能力，试样抗弯曲能力得到提高。

3)55%、70%和85%三个预加载水平的低周弯曲疲劳对丝织物/玻璃纤维毡增强复合材料没有产生显著的影响。丝绸在复合材料的积层位置和丝织物的经纬向对低周弯曲疲劳的影响不大。55%和70%预加载水平低周弯曲疲劳对玻璃纤维毡增强复合材料的影响也不显著。然而在85%以上预加载水平下，玻璃纤维毡增强复合材料在疲劳的过程中发生了弯曲破坏。

4)丝绸的加入，在一定程度上阻止了裂纹的扩展，增强了玻璃纤维毡增强复合材料的抗弯曲疲劳性能。

志谢：在本文写作过程中，铃木绘里加、菊地哲雄(东雄技研会社)，古川贵士(株式会社菱健)，高井由佳(大阪产业大学)提供了试验材料、理论和技术支持，在此表示衷心感谢！

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DOI:研究与技术10.3969/j.issn.1001-7003.2016.04.001

收稿日期:2015-08-05; 修回日期:2016-03-14

作者简介:赵德方(1987—)，男，硕士研究生，研究方向为玻璃纤维增强复合材料力学性能的研究。通信作者：阳玉球，副教授，amy_yuqiu_yang@dhu.edu.cn。

中图分类号:TS101.921

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2016)04-0001-07引用页码:041101

Study on bending properties of silk fabric and glass fiber mat reinforced composites

ZHAO Defang1a, DONG Yuying1a, YANG Yuqiu1b, KIYOSHI Fujiwara2, HIROYUKI Hamada3

(1a.College of Textiles; 1b.Key Laboratory of Textile Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China;2.Mazda Motor Corporation, Hiroshima 7340000, Japan; 3.Kyoto Institute of Technology, Kyoto 6068799, Japan)

Abstract:In this paper, the impact of mixing silk fabric on the bending properties of silk fabric and glass fiber mat reinforced composites are investigated by conducting three point bending and low cycle bending fatigue tests.The experimental result shows that hybrid composites with silk fabric in the third layer has highest flexural strength and flexural modulus among three kinds of hybrid composites, it’s 16.3% and 8.1% higher than these of hybrid composites with silk fabric in the first layer respectively.The warp and filling direction of silk fabric are different, but they are not shown in composites.55%, 70% and 85% pre-load levels of low cycle bending fatigue (LCBF) had no significant effects on silk fabric and glass fiber mat reinforced composites.Mixing silk fabric can strengthen the anti-bending fatigue property of glass fiber mat reinforced composites.

Key words:silk fabric; glass fiber; mat reinforced composites; three point bending; low cycle bending fatigue (LCBF)