玄武岩纤维四轴向经编复合材料力学性能研究

梁荷叶 高晓平

摘 要：纺织结构玄武岩纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能。以四轴向经编玄武岩织物为增强体，E-2511-1A环氧树脂与2511-1BT固化剂混合胶液基体，基于真空辅助VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型技术制备复合材料试样，实验测试了准静态下试样沿0°，45°，90°的拉伸及弯曲性能。结果表明：四轴向经编复合材料沿不同方向拉伸强度、模量的大小关系是90°>0°>45°；弯曲强度、模量的大小关系是90°>45°>0°。强度和模量区别主要取决于增强体纱线束的细度和排列。另外，拉伸断裂截面显示，四轴向经编增强体可以有效改善拉伸分层失效和断裂截面处纤维抽拔等现象；复合材料的弯曲破坏失效图显示，即使到最大弯曲挠度，试样仍然没有发生明显断裂，由此可知四轴向经编玄武岩纤维增强复合材料具有较高的韧性。

关键词：玄武岩纤维；四轴向经编织物；复合材料；拉伸性能；弯曲性能

中图分类号：TS186.1；TB332

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）06-0001-05

Abstract：The resin matrix composite reinforced by basalt fiber with textile structure has excellent mechanical behavior. The composite specimens were manufactured with quad-axial warp-knitted basalt fabric as the reinforcement， and E-2511-1A epoxy resin and 2511-1BT curing agent as mixed glue matrix with vacuum assisted resin infusion （VARI）. The quasi-static tensile and bending properties of composite specimen were tested experimentally along 0°， 45° and 90° direction. The results show that the relation between tensile strength and modulus of the composite is 90°>0°>45°. Meanwhile， the relation between bending strength and modulus of the composite is 90°>45°>0°. The strength and modulus are dependent on the fineness and arrangement of reinforced yarn. The tensile fracture section of composites shows that quad-axial warp-knitted fabric reinforcement can improve the tensile failure pattern and the fiber extraction at the cross section. The bending failure pattern shows that the specimen is not faulted obviously even at the maximum bending deflection， which indicates that the composite reinforced with warp-knitted basalt fabric has high toughness.

Key words：basalt fiber； quad-axial warp-knitted fabric； composite； tensile properties； bending properties

纖维增强树脂基复合材料是由增强体纤维与基体材料通过某一种加工工艺复合而成的一种新型高性能材料，以其轻质、高强度、低密度和抗疲劳等良好的性能在航空航天、风机叶片等领域得到广泛应用[1-4]。玄武岩纤维作为一种新型的高性能纤维，具有高强、耐烧蚀、耐高低温、化学稳定性较强，且具有绿色环保的特点[5-8]。以玄武岩纤维为原料，利用多轴向经编技术可以制备厚度较大的玄武岩纤维多层经编织物，纤维束彼此之间平行伸直排列，没有交织，可以最大程度发挥材料的拉伸强度，且织物尺寸稳定性，可设计性强[8-10]。多轴向经编增强体结构是目前复合材料中应用最理想的增强体结构，不但可以克服机织平纹织物因经纬交织屈曲降低材料性能，而且衬垫针织纱线可以克服分层失效，从而提高复合材料抗层间损伤强度[9-11]。

本文以四轴向经编玄武岩纤维织物为增强体，E-2511-1A环氧树脂与2511-1BT固化剂混合胶液为基体，基于VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型技术来制备复合材料试样。分别测试试样沿0°，45°，90°方向上的拉伸与弯曲性能。分析纤维排列对试样拉伸性能及弯曲性能的影响；分析试样断裂形貌特征，得出断裂模式，并分析失效机理。

1 试样制备

实验所用的四轴向经编玄武岩织物产自山东聚源玄武岩有限公司。纱线束的铺层结构是90°/-45°/0°/45°，不同轴向的主体纱线束均为玄武岩纤维无捻粗纱，其中玄武岩纤维原丝的直径是13 μm，玄武岩纤维四轴向经编增强体织物正面如图1所示。增强体织物及组份纱线的性能如表1所示。

四轴向经编玄武岩织物同向三层铺放，选用E-2511-1A环氧树脂和2511-1BT固化剂混合胶液为基体，基体材料相关数据如表2所示，树脂和固化剂混合比例为100∶30，基于VARI成型技术来制备试样，成型工艺如图2所示。

2 实 验

2.1 拉伸实验

参照标准ASTM D6641M—2009《用组合载荷压缩（CLC）固定试验设备测定泵合体基复合材料层压板压缩特性的标准试验方法》将成型后的复合材料沿0°、45°、90°三个方向切割，试样尺寸为长250 mm×宽25 mm×厚度2 mm。为避免握持试件时，在夹头位置出现试样滑移和损伤，所以得在试件的两端贴上加强片，加强片长为50 mm，宽为25 mm。实验测试仪器为微机控制电子万能试验机，型号为WDW-30，沿试样轴向匀速加载，直至试样断裂，加载速度为5 mm/min。

2.2 弯曲实验

参照标准试验参照ASTM D790—2010《未增强和增强塑料及电绝缘材料挠曲性试验方法》将成型后的复合材料沿0°、45°、90°三个方向切割，试样尺寸为长80 mm×宽13 mm×厚度2 mm。实验测试仪器为微机控制电子万能试验机，型号为WDW-30。采用三点弯曲的方式，沿试样轴向匀速地以2 mm/min的加载速度使试样被破坏。

3 结果与分析

玄武岩纤维四轴向经编复合材料破坏形貌和拉伸、弯曲曲线如图3所示。从图3（a）拉伸应力-应变曲线来看，拉伸力值在达到峰值后，测试件会迅速的发生破坏直至测试件的失效。这说明在拉伸过程中几乎是所有的玄武岩纤维同时发生断裂，进一步说明可以最大程度的利用增强体纤维的力学性能。从图3（b）弯曲载荷-挠度曲线可以看出，0°、45°、90°三个方向上的载荷挠度曲线很相似，说明试件的破坏机制和破坏方式是相似的。在刚开始的测试中，弯曲曲线基本上是一条直线，这主要是因为试件在刚开始承受载荷时，试样的上受力面受压，而下受力面受到拉伸作用，下表面的树脂受到载荷作用出现断裂。随着载荷的持续增加，出现多次的弯曲分层破坏，试件的上下表面均受到破坏，在这过程中，应力沿增强体传递，增强体中的树脂受到应力而出现微裂纹，弯曲模量减小，直至试件的整体失效。

目前国内还没有关于纺织结构复合材料纤维体积分数的计算准则，此次试验中复合材料的纤维体积分数用称重法来计算，具体计算方法如式（1）和式（2）所示[7]。

玄武岩四轴向经编复合材料拉伸、弯曲实验数据如表3和表4所示。

玄武岩四轴向经编复合材料拉伸、弯曲实验测试件均取自同一块板材，但是由于不同方向的增强体织物结构不同，因此不同角度试样其纤维体积分数不尽相同，致使无法准确地去衡量它们的性能。在此引入复合材料比强度、比模量的概念，其计算方法如式（3）和式（4）所示。

从表1可以看出，玄武岩四轴向经编增强体织物0°方向排列密度为40根/10 cm，而90°方向排列密度是24根/10 cm。0°和90°方向的纱线线密度分别为414 tex和1 098 tex，而从表3可以看出0°和90°方向拉伸强度却相差不大，分别为185 MPa和224 MPa。所以玄武岩铺层纱线束的排列密度和铺层结构对复合材料力学性能影响较大。从表3可以看出，玄武岩纤维四轴向经编复合材料拉伸强度、模量的大小关系为90°>0°>45°。从表1可以看出不同组份纱线束的细度大小关系是90°>0°>45°，所对应的增强体织物的拉伸强度大小关系也是如此，说明即使织物中有捆绑纱线，但是并不影响织物的整体拉伸性能。从表3可以看出，即使各方向铺层纱线束之间存在较大差异，但是玄武岩四轴向经编复合材料0°，45°和90°方向纤维体积分数却近似相等，换言之，也就是三个方向的纤维含量近似相等。因此也说明铺层纱线束的排列结构对复合材料整体性能影响较大。玄武岩纤维四轴向经编织物中纱线束的排列呈现“米字”结构，所铺设的纤维束层之间用经编组织连接在一起，由于经编组织的引入，织针在穿入的时候，就不可避免的引起铺设纤维束的损伤。对增强织物拆解分析得到，织针对90°和0°方向的纱线束损伤最小，但是出于对织物整体尺寸稳定性和复合材料中纤维体积分数的考虑，+45°和-45°两个方向上的纤维束几乎是粘连在一起的，織针不可避免的刺伤纤维，导致这两个方向上的纱线束强度降低。玄武岩经编四轴向织物中纱线束的排列为特殊的米字结构，当90°方向的织物受到拉伸载荷时，与轴向拉伸方向平行，即90°方向上的纱线束为主承力结构，但是0°方向上的纱线束没有贡献强力。此时±45°两个方向上的纤维束呈垂直的结构，但是由于织针对这两个方向纱线束的刺伤，使得其只能贡献少许的强力，主要还是起支撑作用。所以当90°方向的织物经受拉伸载荷时，织物强度和纱线束的细度近似存在比例关系。但当+45°方向的织物受到拉伸载荷时，由于+45°上的纱线束细度与0°或90°方向上的相差甚远，再加上织针的损伤，因此主承力方向的纱线束对织物强力的贡献是比较小的。主承力方向上的纤维束受到拉伸载荷时，最先在薄弱地方发生断裂导致主承力方向上的强力贡献值迅速降到最低，拉伸载荷在织物内重新分配。紧接着受力的是0°和90°方向的纱线束，此时这两个方向呈垂直结构，一方面继续提供强力，另一方面在织物中起着支撑的作用。

通过计算得出玄武岩四轴向经编复合材料0°，45°和90°三个方向的拉伸强度比值近似等于1，明显的呈现出各向同性的力学性能特点。主要与增强体织物组份纱线束的细度和排列结构有关。由于增强体材料是复合材料中的主承力构件，而树脂基体的作用是将增强材料在面内固定下来，减少纤维之间的磨损，为增强体材料提供一种支撑，以及均衡和传递载荷，E-2511-1A环氧树脂与2511-1BT固化剂混合胶液体系经固化后具有良好的尺寸稳定性。连续玄武岩纤维在生产加工的过程中，难免受到人为或机械原因造成纤维的表面弱节缺陷，当试件承受载荷时容易产生微裂纹，树脂基体组份材料可以阻止微裂纹的延伸，当载荷持续增加时，树脂基体会将所施加的外载荷重新分配，所以复合材料拉伸时在某一方向展现出的力学性能，并不是这一方向上材料的单独作用，而是复合材料整体结构协同产生的。因此复合材料各方向表现出的拉伸性能比例关系和单一增强体纱线力学性能之间并没有特定的比例关系。除此之外，纺织结构复合材料中的增强体材料和基体材料性能上取长补短，产生协同效应，使得纺织结构复合材料整体综合性能提高，因此可以满足不同应用领域对复合材料力学性能的要求。增强体材料和树脂基体材料之间所形成的结合界面强度的高低，将直接影响复合材料的整体性能，如若结合界面强度过大，则会产生脆性断裂方式，破坏形式单一，影响复合材料整体的力学性能；结合界面若强度过低，则会发生树脂的脱胶和增强体纤维的抽拔现象。从图3（c）试件拉伸破坏形貌图可以看出，玄武岩四轴向经编复合材料试件在不同方向的拉伸断裂截面特征基本相似，断裂截面的形貌和增强体纤维束的铺设角度结构是一致的，换言之复合材料试件在承受载荷时，发生的脆性断裂形式使得不同方向的增强体纱线束并不能完全发挥其力学性能，所以复合材料拉伸强度和单一增强体纱线束之间没有出现特定的比例关系。

从表3经编四轴向复合材料弯曲测试数据得出弯曲强度、模量的大小关系是90°>45°>0°，拉伸强度、模量的大小关系却是90°>0°>45°。主要与增强体纱线束的铺设结构和纱线束的细度有关。明显可以看出0°和45°方向的拉伸、弯曲性能有所差异，只要原因是增强体织物中纱线束的铺层角度结构。与弯曲载荷轴向方向相垂直的纱线束为主承力结构，但是此时在拉伸实验中起支撑作用的相同纱线束，在承受弯曲载荷时，却可以发挥“均衡载荷”的作用，因此会出现45°弯曲强度大于0°的实验结果。从图3（d）试件弯曲破坏形貌分析来看，弯曲破坏断面图可以看出，玄武岩纤维和树脂并没有发生类似拉伸时的剥离现象，树脂和纤维在破坏以后基本粘结在一起，说明此次试验所选用的E-2511-1A环氧树脂体系的韧性很高。在试验中发现，即使试件已经达到了最大的弯曲挠度，但是试件仍然没有发生断裂，说明了玄武岩纤维复合材料的韧性比较良好。

4 结 论

通过以上对玄武岩纤维四轴向经编复合材料拉伸、弯曲性能测试分析，总结如下：

a）玄武岩纤维四轴向经编复合材料拉伸强度、模量的大小关系为90°>0°>45°。主要与增强体织物组份纱线束的细度和排列结构有关。当复合材料试件某一方向受到拉伸载荷时，与轴向拉伸方向平行的纱线束为主承力结构，其他三个轴向上的纱线 束不受力或呈±45相互垂直的结构，在复合材料拉伸时只起到支撑的作用。

b）经编四轴向复合材料弯曲测试数据得出弯曲强度、模量的大小关系是90°>45°>0°。0°和45°方向的拉伸、弯曲性能有所差异，主要与增强体纱线束的铺设结构和纱线束的细度有关。与弯曲载荷轴向方向相垂直的纱线束为主承力结构，拉伸实验中起支撑作用的相同纱线束在承受弯曲载荷时，可以发挥“均衡载荷”的作用，因此会出现45°弯曲强度大于0°的结果。

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