纤维包覆对环氧树脂/碳纤维复合材料弯曲性能的影响

阮芳涛，徐珍珍，候大寅，邢 剑，鲍力民

(1.安徽工程大学纺织服装学院，安徽 芜湖 241000；2. 日本信州大学纤维学部，日本 长野 386-8567)

0 前言

先进纤维增强树脂复合材料是由高性能增强纤维和基体树脂通过一定的工艺方法复合而成。具有质轻、高强、良好的可设计性、耐腐蚀、抗振动等优点，易于制造一次整体成型的复杂零件。作为结构材料已在航空航天、船舶机械、建筑医疗等领域得到深入研究和广泛应用[1-4]。由于连续纤维在复合材料中是处于取向排列结构，导致其力学性能具有各向异性的特点。在单向纤维增强复合材料中，沿着纤维方向，材料充分利用了纤维的高强度高模量的特性，使得复合材料在纤维排列方向上的拉伸强度和拉伸模量很高，但在纤维轴向压缩方向上，受到纤维屈曲失稳等破坏机理的影响，其抗压缩破坏性能较差[5-7]。以CF增强树脂基复合材料为例，其压缩强度通常为拉伸强度的50 %～60 %[8-9]，凯夫拉49纤维增强树脂基复合材料的的压缩强度仅为拉伸强度的15 %[10]。而且，当复合材料在弯曲载荷作用下，材料的上表面承受压缩应力，下表面承受拉伸应力，当试样所受弯曲载荷达到一定程度时，试样的受压面首先发生破坏，同时纤维也发生弯曲变形甚至断裂[11]，因此，在复合材料承受弯曲载荷时，压缩强度也成为了限制复合材料弯曲性能的重要因素。

目前，提高复合材料压缩性能的方法主要有纤维表面改性、采用高模量树脂基体和纤维混杂等方法[12-16]。这些方法对成本和品质的影响较大，但提高的效果并不是很显著，不能充分发挥复合材料的高减重效率的优势。近些年来，国内外学者对三维多向编织复合材料领域开展了广泛的研究[17-19]。三维编织能够提高复合材料的压缩性能，严实等[20]针对三维四向编织复合材料，研究了材料的抗压力学性能和失效机制，发现编织角度对材料的压缩破坏模式有较大的影响。Shivakumar等[21]研究了纱线结构的变化对三维编织复合材料抗压性能和失效机理的影响，发现轴向纱比偏轴纱的排布对压缩强度的影响更大。三维编织中最主要的形式是三维四向编织结构，在三维四向编织结构的基础上引入轴向纱以增强轴向的力学性能则可以形成三维五向、六向、七向等编织结构，针对不同的应用条件和载荷状况采用不同的编织结构形式[22]。但是，三维多向编织复合材料压缩性能的提高是以降低偏向纱在拉伸方向的性能为代价，在复合材料内部剩余较多编织空隙，无轴纱占据，使复合材料中的有效纤维含有率降低，限制了三维编织材料力学性能的大幅度提高。在前期研究过程中，笔者基于单方向纤维增强树脂基复合材料的结构特征和单轴压缩的纤维屈曲破坏模式，采用超高相对分子质量聚乙烯(PE-UHMW)纤维为增强纤维，PBO纤维为包覆纤维，采用操作简单的单向缠绕包覆方式实现，并利用真空辅助树脂转移成型(RTM)的方法制备出单向复合材料，并对其进行轴向压缩性能测试，结果表明，在不降低复合材料其他力学性能的前提下，利用包缠纤维束制备成纤维增强复合材料后，复合材料压缩强度和压缩模量均得以提高，同时通过改变包覆纤维的排列角度和包覆预张力可以调控复合材料的压缩破坏损伤模式。

本文研究了包覆纤维PBO-CF对环氧树脂弯曲性能和弯曲破坏模式的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

环氧树脂，Dena-tile XNR 6815, 日本长濑化学株式会社；

环氧树脂硬化剂，XNH 6815，日本长濑化学株式会社；

CF，T-300B，日本东丽公司；

PBO纤维，ZYLON(HM)，日本东洋纺公司。

1.2 主要设备及仪器

长丝纤维包覆机器，自制；

真空辅助树脂转移成型系统，自制；

电子万能试验机，AUTO GRAPH-20KND，日本岛津制作所；

光学电子显微镜，KEYENCE VHX-6000，日本基恩士公司；

扫描电子显微镜(SEM)，日立 - 4800，日本日立公司。

1.3 样品制备

包覆纤维束的制备：将CF束从绕有PBO长丝的中空圆柱按照5 m/min的速率通过，同时圆柱按照60 r/min的速率旋转，可得到长丝缠绕的纤维束；通过调节纤维束的通过速度，可以改变纤维束上长丝的缠绕密度，改变中空圆柱旋转的摩擦力，可以控制长丝缠绕的张力，具体的缠绕参数可见于文献[23]3 128。本文提出了2种缠绕方式，一种为如图1(a)所示的单向旋转缠绕方式，PBO只按照一个方向对纤维束进行包覆;另一种为改进的双向旋转缠绕方式，如图1(b)PBO同时在2个方向上对增强纤维束进行包覆缠绕。

(a)单向旋转 (b)双向旋转图1 包覆纤维的缠绕方式Fig.1 Winding mode of cover filament

环氧树脂/包覆CF复合材料的制备：选用旋转法将长丝包覆纤维束制备成单向的纤维布，采用真空辅助树脂转移成型法进行成型制备成复合材料；单方向CF增强环氧树脂复合材料简称为CFRP，PBO长丝单向缠绕CF增强环氧树脂复合材料简称为SCCF/CFRP，PBO长丝双向缠绕CF增强环氧树脂复合材料简称为DCCF/CFRP，复合材料中CF的体积含量均为40 %；采用切割机将复合材料切割成测试标准的尺寸。

1.4 性能测试与结构表征

三点弯曲性能测试：用万能试验机采用三点弯曲法，按JIS-K 7074测试材料的弯曲强度和弯曲模量，支点间的距离为80 mm，样品的尺寸为100 mm×15 mm×2 mm，利用电子万能测试仪进行测试，测试速率为5 mm/min，每次测量的试样为5个，结果取平均值；

破坏断面观察：利用光学电子显微镜对复合材料破坏表面进行初步观察，再将破坏面进行喷金处理，采用SEM对试样的断面进行微观形貌观察并拍照，加速电压为10 kV，工作距离为11 mm。

2 结果与讨论

2.1 纤维包覆对复合材料弯曲性能的影响

(a)弯曲强度 (b)弯曲模量图3 纤维包覆对弯曲强度和弯曲模量的影响Fig.3 Effect of filament covering on bending strength and modulus

1—DCCF/CFRP 2—SCCF/CFRP 3—CFRP图2 三点弯曲测试载荷 - 挠度曲线Fig.2 Load deflection curve of three point bending test

图2为CFRP、SCCF/CFRP、DCCF/CFRP的弯曲载荷 - 位移曲线，纤维包覆对复合材料的弯曲强度和弯曲模量有很大影响，和CFRP相比，SCCF/CFRP和DCCF/CFRP的抗弯极限载荷高于CFRP，同时载荷 - 挠度曲线比CFRP试件更为陡峭，材料的抵抗变形的能力更强，即刚度更大。3类试样的载荷和位移间具有良好的线性关系，CFRP、SCCF/CFRP试样表现出明显的脆性断裂特征，DCCF/CFRP试样的载荷 - 挠度曲线在断裂后期变缓，具有韧性破坏断裂特征。在复合材料承受弯曲载荷时，由于材料中弱界面和微裂纹的存在，局部出现应力集中的现象，当某些纤维的微裂纹尖端具有集中能量时，会使得裂纹进一步扩大，如果这种能量足够大时，将使得材料的应力强度因子达到临界值，裂纹失去稳定扩展，导致纤维的连锁断裂，使复合材料呈脆性破坏。对于单向纤维增强复合材料，其编织结构中纤维分布取向变化较小，其裂纹的扩展主要是沿着垂直纤维分布方向，对于纤维包覆复合材料来说，一方面，包覆长丝可以改变裂纹的扩展方向，增大材料的应力强度因子；另一方面，包覆的长丝有助于阻止断裂裂纹在垂直方向上的扩展。因此，纤维包覆会导致单方向复合材料的弯曲强度和弯曲模量增加。

如图3所示为按照JIS K7074标准计算得到试样的弯曲强度和弯曲模量。从图3可以看出，PBO长丝缠绕可以提升CF增强复合材料的弯曲强度，而且长丝双向缠绕的提升效果要比单向缠绕的提升效果好。其中单向旋转缠绕方式可提升20 %，双向旋转缠绕方式可提升36 %。在弯曲实验中，首先在复合材料的上表层发生压缩破坏，随后发生弯曲整体破坏。因此，该材料的弯曲性能是由材料上表层的压缩性能所限制。

本文中的单向缠绕和双向缠绕的间距均为4 mm，可以排除缠绕间距的影响因素[23]3 130后，由图4的屈曲示意图可知，双向旋转缠绕方式进一步的提升效果是由于PBO长丝在纤维束相同位置的两侧可以进一步限制CF的屈曲破坏，当压缩力作用于CF束达到临界屈曲力时，CF开始产生屈曲，和长丝单向缠绕相比，双向缠绕的CF的压缩屈曲力可以由相对称的PBO长丝产生的拉伸力相抵消，使其临界屈曲力增大, 从而使得其弯曲强度得以提升。

(a)单向旋转 (b)双向旋转图4 包覆方式对纤维屈曲的影响Fig.4 Expected fiber buckling model

显微照片：(a)CFRP (b)SCCF/CFRPSEM照片：(c)CFRP (d)SCCF/CFRP (e)DCCF/CFRP (f)DCCF/CFRP图6 试样弯曲破坏断面照片Fig.6 Bending failure section of specimens

从图3可以看出，纤维包覆能够提高弯曲模量，SCCF/CFRP和DCCF/CFRP都有所提升，但提升效果并不好。由于模量是在材料的变形初期测定的，处于在屈曲变形的初期，由图5的屈曲破坏模型分析可以推测，在未经过长丝缠绕的CF束在受力时，产生屈曲的过程中是由单根的纤维屈曲而产生的，在长丝缠绕后，CF的屈曲产生过程转变为纤维束的整体屈曲，因此提高了CF束的整体抵抗小变形的能力，因此材料的弯曲模量得以提高。而在这个过程中，单向缠绕和双向缠绕的作用区别不大。

(a)单根CFRP (b)SCCF/CFRP的纤维束图5 屈曲破坏模型Fig.5 Buckling failure model

2.2 纤维包覆对弯曲破坏的影响

纤维包覆对复合材料的弯曲断裂特征不仅表现在弯曲载荷 - 位移曲线上，也表现在破坏形貌上。由图6(a)和(b)的弯曲破坏断口形貌可知，CFRP和SCCF/CFRP都属于压溃破坏，在拉伸面没有发生破坏，断口呈现无规则角度，伴随着大量纤维束断裂和纤维分层，裂纹迅速在纤维束间扩展并向基体延伸，导致纤维与树脂基体剥离，裂纹沿层间向基体延伸，形成微区层间脱黏，最终导致局部失效破坏。PBO长丝缠绕之后，其压溃破坏现象更为明显。图6(c)、(d)为CFRP和SCCF/CFRP试样的压缩破坏部分的放大图，可以看出其压缩破坏方式略微有所不同，CFRP中的破坏方式是单根纤维的屈曲破坏，SCCF/CFRP的破坏是纤维束的整体屈曲破坏方式，印证了图5的屈曲破坏模型，同时也能解释长丝缠绕可以提高复合材料弯曲模量的原因。

在纤维增强树脂复合材料中，是以高强高模的纤维材料起主要承载作用，提供结构刚度、强度并控制其基本性能，基体树脂材料起支撑和固定纤维，其中纤维与树脂的界面在这个过程中起到了很关键的作用，界面将施加于基体材料的载荷传递到作为增强体的纤维，并分散和传递纤维间的载荷，改变界面状况也会影响损伤破坏模式。图6(e)、(f) 为DCCF/CFRP的压缩破坏SEM照片。从图6(e)中可以看出，在复合材料弯曲断面中，PBO与环氧树脂间存在大量的缝隙，PBO纤维从树脂中剥离，并且从图6(f)还能看出，PBO纤维中呈现单根纤维的拔出现象，这表明PBO纤维和环氧树脂间的界面性能较弱。DCCF/CFRP试样的破坏是CF纤维束和界面基体的剪切破坏和PBO纤维的拔出，由于破坏过程中存在PBO纤维的拔出现象，应力在界面处会有所松弛，使得材料的损伤破坏过程表现出一定的韧性破坏。由于本研究中的PBO纤维并未做表面处理，环氧树脂和纤维间的黏结性较弱，如果能改善PBO纤维的表面性能，有望进一步提高复合材料的弯曲和压缩性能。

3 结论

(1)长丝缠绕可以提升CF复合材料的弯曲性能，其中单向旋转缠绕方式可以提升20 %，双向旋转缠绕方式可以提升36 %；

(2)长丝缠绕可以提升CF复合材料的弯曲性能，在长丝缠绕的CF中没有发现单根纤维的屈曲，但是CFRP中是发现了单根纤维的屈曲，是一束纤维的整体压缩屈曲造成了破坏；

(3)PBO纤维和环氧树脂的界面性能较差，阻碍了长丝缠绕增强纤维束复合材料弯曲性能的进一步提升。

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