铺层取向角度对黄麻纤维复合材料性能的影响1)

刘诚　范豪　花军　吴昊

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



铺层取向角度对黄麻纤维复合材料性能的影响1)

刘诚范豪花军吴昊

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

基于真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺，研究不同铺层取向角度对黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明：单向铺层取向时，随着铺层取向角度的增加，复合材料拉伸强度呈近凹抛物线形变化，并在取向角为90°时达到最大值；弯曲强度呈近凸抛物线形变化，并在取向角为60°时达到最大值。双向铺层取向时，复合材料拉伸强度和弯曲强度均呈波浪形变化，其最大值分别在取向角为±75°和±45°时获得。综合对比单、双向铺层，复合材料拉伸强度在单向取向角为90°铺层取向时达到最大值，为78.26 MPa；而复合材料弯曲强度在双向取向角为±45°时达到最大值，为89.82 MPa。

铺层取向角度；黄麻纤维；VARTM工艺；复合材料；力学性能

During the VARTM process, we studied the effect of the different ply orientated angles on the mechanical properties of the jute-cloth-reinforced epoxy resin composites. When the unidirectional ply orientation was used, the tensile properties showed nearly a “concave parabolic” variation with the increase of angle and the best tensile property reached the maximum at the 90° ply orientation. The flexural properties showed nearly a “convex parabolic” variation, and the flexural property reached the maximum at the 60° ply orientation. When the bi-directional ply orientation was used, the tensile properties and flexural properties all presented nearly a “wave line” variation, meanwhile the maximum values of tensile properties and flexural properties were obtained at ±75° and ±45°, respectively. Compared the unidirectional with the bi-directional ply orientation, the tensile property reached the maximum value at 90° for the unidirectional ply orientation, with the value of 78.26 MPa. While the flexural property reached the maximum value at ±45° for the bio-directional ply orientation, with the value of 89.82 MPa.

麻纤维质轻价廉、可降解，且有较高比强度和比模量，力学性能与玻璃纤维相当[1],在某些工程领域可作为增强体制备树脂基麻纤维复合材料[2]。真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺是一种新颖的复合材料成型工艺，它主要利用真空负压排除模具内纤维中的气体，并实现树脂对纤维浸润，使纤维与树脂达到良好的结合[3]。利用VARTM工艺制备麻纤维复合材料时，纤维在模具内的铺层取向角度会对树脂流动的前沿路径产生较大的影响，取向角度选取不当可能造成树脂填充不均匀进而出现干斑或气泡等缺陷，影响复合材料的质量和性能[4]。目前关于纤维铺层取向角度对复合材料力学性能影响的研究主要集中于玻璃纤维和碳纤维领域，而对天然麻纤维的关注较少。如Juan E. Carrion等在VARTM工艺下制备了联接方形管的单片玻璃纤维复合套管，通过实验验证了沿纤维方向铺层的套管具有较高的力学性能[5]。刘国春等针对碳纤维复合材料结构中出现损伤的铺层角度偏差建立阶梯挖补结构模型，并分析了整体铺层方向偏移的拉伸强度[6]。卞航等采用均匀实验设计方法研究了铺层角度偏差对某厚度曲面结构碳纤维复合材料固化变形的影响[7]。

为研究VARTM工艺条件下铺层取向角度对天然麻纤维复合材料性能的影响，笔者通过设置单、双向黄麻纤维布不同铺层方式共13组实验，对比了单、双向不同铺层方式对复合材料制件拉伸和弯曲性能的影响，并利用电镜分析树脂与纤维体的结合情况。结果表明，通过选取合理的铺层取向角度可改善树脂流动情况，从而得到性能优异的复合材料。

1　材料与方法

1.1材料

黄麻纤维布，美克纺织有限公司；环氧树脂(EPOLAM5015)、固化剂(5014)、脱模剂(19SAM)、真空辅材均购于北京科斯拉科技有限公司沈阳分公司；氢氧化钠，天津瑞金特化学产品有限公司。

1.2设备及仪器

恒温水浴槽SY1210；国产旋片式真空泵XD04；附表式树脂收集罐；DHG101烘干箱；CMT5105型微机控制电子万能试验机。

1.3方法

1.3.1树脂基体的制备与黄麻纤维布的预处理

按m(环氧树脂)∶m(固化剂)=100∶34将材料进行配比。实验所使用的黄麻纤维布经纬线均为纤维丝组成的纤维束编织而成，每层纤维布尺寸规格为40.0 mm×20.0 mm×1.2 mm，面密度为320 g/m2。将配好的质量分数为5%的氢氧化钠溶液加入到水浴锅内，将裁剪好的黄麻纤维布在60 ℃恒温水浴锅中浸泡处理3 h，风干后在烘箱内60 ℃条件下干燥脱水，然后封存备用。黄麻纤维布经过碱液处理之后其性能有一定提高[8]。

1.3.2铺层取向角度设置复合材料制备流程

图1所示为黄麻纤维布铺层取向角度设置示意图，其中红线表示纬线，绿线表示经线，经纬线互为垂直关系；取向角为黄麻纤维布纬线方向与试样长度方向之间的夹角[9]，即图1中局部放大部分。按照均衡对称铺层原则[10]，中间层采用0°取向角，即纬线方向与试样长度方向平行，若对称层取向角相同则定义为单向铺层(图1a)，若对称层取向角大小相同且互为正负关系则定义为双向铺层(图1b)。表1为实验铺层组别编号及对应铺层的取向角度，其中1—7组为单向铺层，8—13组为双向铺层。

a.单向铺层示意图b.双向铺层示意图

图1　黄麻纤维布铺层取向角度设置示意图

1.3.3复合材料制备流程

制备流程：清洗模具→铺放→真空→充模→固化脱模。

清洗模具：用清洗剂将模具清洗3遍，晾干后均匀涂抹脱模剂。

铺放：在涂抹脱模剂的模具上依次铺放黄麻纤维布、脱模布、导流介质、真空膜。

真空：利用导管将真空泵、树脂收集器、模具连接，然后打开真空泵，真空度达到0.09 MPa，且压力表指针不回落时，与装有树脂的树脂罐连接。

充模：打开树脂注入阀门，树脂注入模具内并与纤维体浸润，待树脂到达收集器内时再继续注入15 s，便于树脂与纤维体充分浸润融合。

固化脱模：充模完成后，将模具放入烘箱内，70 ℃条件下加热固化3 h，树脂完全固化后进行脱模。

1.4性能测试

拉伸性能测试按照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中的Ⅰ型试样制成哑铃形状，试样尺寸为180 mm×20 mm×4 mm，仲裁试验中采用2 mm/min的加载速度，夹持距离为115 mm。

弯曲性能按照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，通过无约束支撑和三点弯曲方式进行，试样尺寸为80 mm×15 mm×4 mm，加载速度为2 mm/min，夹持距离为60 mm。

1.5扫描电镜分析

采用日本JEOL公司的JEM-7500型扫描电子显微镜观察复合材料断裂面形貌。截取电镜分析要求的样件，并在去离子水中清洗，在盛放硅胶干燥剂的容器中干燥24 h后，经过SEM观察分析断裂面形貌。

2　结果与分析

实验测得黄麻纤维布铺层取向角度的力学性能见表2。

2.1黄麻纤维布铺层取向角度对复合材料拉伸性能的影响

由图2可以得出，单向铺层取向时，随着铺层取向角的增加复合材料的拉伸强度和拉伸模量均呈近凹抛物线形变化，且取向角为0°与90°、15°与75°、30°与60°时的拉伸强度和拉伸模量差值均不大，并在取向角为45°和90°时分别达到最小值和最大值。双向铺层取向时，复合材料拉伸性能先增大，然后在取向角为±45°时减小；从±45°～±75°较平缓地增大，即呈近波浪形变化；拉伸强度在取向角为±45°时减小的趋势比拉伸模量大；同时在取向角为±75°时拉伸强度和拉伸模量达到最大值。通过单、双向组别对比可知，复合材料单向铺层中拉伸强度和拉伸模量均不同程度地大于双向铺层，取向角为0°、90°单向铺层复合材料的拉伸强度与0°及90°双向铺层复合材料的拉伸强度差值较大，其他对应角度组别差值较小。

表2　不同组别对应的力学性能

图2　拉伸强度和拉伸模量变化趋势

2.2黄麻纤维布铺层取向角度对复合材料弯曲性能的影响

由图3可以得出，单向铺层时随着铺层取向角的增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量有相似的近凸抛物线形变化，并在取向角为60°时达到最大值。双向铺层时，随着角度的增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量呈近波浪形变化，先减小再增大，然后减小，并在取向角为±45°时达到最大值；取向角为±15°时达到最小值，但弯曲强度从取向角为±60°～±75°时减小的趋势比弯曲模量大。通过对比单、双向铺层可知，双向铺层时取向角为0°及90°、±30°及±45°的复合材料弯曲强度和弯曲模量均大于单向铺层时取向角为0°、30°及45°时的值，则其他相对应角度中单向铺层复合材料的弯曲强度和弯曲模量值均大于双向铺层。

图3　弯曲强度和弯曲模量变化趋势

2.3复合材料断面电镜分析

对所有分组试件的拉伸和弯曲断面做电镜扫描分析，分别选取拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量性能最优的铺层取向进行分析。单向铺层中取向角为0°时复合材料拉伸性能值与取向角为90°时的拉伸性能相近，结合树脂与纤维体结合情况综合分析，其断面形貌如图4—图8所示。

图4为单向铺层取向角为0°时黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的拉伸断面电镜图。可以看出拉伸破坏时复合材料纤维断面比较不平，有纤维伸出且部分纤维断裂，断裂伸出纤维上有部分树脂黏结。

图5为单向铺层取向角为90°时黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的拉伸断面电镜图。可以看出在拉伸破坏时复合材料纤维束断裂相对图4较整齐，并且纤维束之间有较多树脂颗粒粘连，纤维截面孔隙相对较少，说明纤维在铺层取向角为90°时，纤维束与树脂结合较充分。

图6为双向铺层取向角为±75°时黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的拉伸断面电镜图。可以看出双向铺层时断裂面中的纤维分向断裂，交叉分层比较明显，在纤维断裂处部分纤维伸出，并且有纤维与树脂分离的现象，与对应角度的单向铺层相比，双向铺层的拉伸性能明显较低。

图7为单向铺层取向角为60°时黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的弯曲断面电镜图。可以看出断裂面在弯曲载荷的作用下断裂比较整齐，纤维伸出不明显，纤维束之间有树脂粘连，并且断面处纤维方向统一，少量的纤维束与树脂分离，说明单向铺层取向受弯曲载荷时载荷只能向铺层方向分散及传递载荷。

图40°单向铺层取向时拉伸断面图590°单向铺层取向时拉伸断面图6±75°双向铺层取向时拉伸断面

图8为双向铺层取向角为±45°时黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的弯曲断面电镜图。可以看出纤维与树脂撕裂界面有许多丝状物质，且断裂纹路比较明显，纤维束内部有较多树脂填充，纤维断裂伸出长短不一。这说明纤维束与树脂结合比较紧密，并且在弯曲断裂时纤维与树脂最先分离，然后再发生纤维断裂，载荷从而有效地在纤维之间传递。

图7　60°单向铺层取向时弯曲断面电镜

图8　±45°双向铺层取向时弯曲断面电镜

3　结论与讨论

3.1不同铺层取向角度复合材料的拉伸性能

对于黄麻纤维增强环氧树脂复合材料，单向铺层组别制得的复合材料拉伸性能高于对应角度值组别的双向铺层复合材料，随着角度的增加，其差值越来越小。

单向铺层取向时互为余角组别的复合材料拉伸性能相近，其拉伸性能在铺层取向角为90°时最优。通过电镜观测可知90°铺层取向相对于0°铺层取向其树脂与纤维束浸润性能及结合性能相对较优，其拉伸强度和模量值能达到78.26 MPa和6.15 GPa。

在双向铺层复合材料中铺层取向角为±75°时拉伸性能较优，但其拉伸强度和拉伸模量值相对低于单向铺层取向角为90°时的值。通过电镜观测可知±75°铺层中有纤维断裂现象且界面结合性能也相对较差，其拉伸模量和弯曲强度值分别为65.38 MPa和4.87 GPa。

3.2不同铺层取向角度复合材料的弯曲性能

单向铺层复合材料不同取向角度之间弯曲性能波动幅度较双向铺层复合材料取向角度之间小，双向铺层时弯曲性能优于单向铺层；通过电镜观测可知是由于双向铺层复合材料受到弯曲载荷时树脂能够更好地传递和分散载荷。

复合材料弯曲性能在单向铺层取向角为60°时弯曲性能较优，其弯曲强度和模量值分别为86.15 MPa和5.06 GPa；双向铺层取向角为±45°时弯曲强度和模量值分别为89.82 MPa和5.34 GPa。通过电镜观测可知双向铺层中树脂与纤维束结合性能较单向铺层充分，故单向铺层取向角为60°时的弯曲性能低于双向±45°铺层。

综合分析单、双向铺层组别复合材料性能可知，通过优选不同铺层取向角度，复合材料的拉伸和弯曲性能会得到提高。在单向铺层取向角为90°时复合材料的拉伸性能较好，适用于拉伸性能要求较高的工况；双向铺层取向角为±45°时复合材料的弯曲性能较好，适用于弯曲性能要求较高的工况。

Influence of Ply Orientated Angles on the Jute Fiber Reinforced Composites//

Liu Cheng， Fan Hao， Hua Jun， Wu Hao

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：52-55，79.

Ply orientated angle； Jute Fiber； VARTM Process； Composites； Mechanical properties

刘诚，男，1975年10月生,东北林业大学机电工程学院，副教授。E-mail：lw9265@sohu.com。

花军，东北林业大学机电工程学院，教授。E-mail：huajun81@163.com。

2015年6月16日。

TU531.6

1)教育部高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)课题(20130062110005)。

责任编辑：戴芳天。