聚酰亚胺纤维/碳纤维增强树脂基混杂复合材料低速冲击性能

黄 朦，董 杰，郭 涛，王 芬，赵 昕，王士华，刘丽芳，张清华

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620； 2.东华大学 纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620；3.江苏奥神新材料股份有限公司，江苏 连云港 222069；4.中复神鹰碳纤维股份有限公司，江苏 连云港 222069)

0 研究背景

树脂基复合材料由于其优异的力学性能被广泛应用于航天军工、能源动力、休闲运动等领域[1－3]。碳纤维(CF)作为纤维增强复合材料中用量最多的材料，但在复合材料应用过程中，常面临各种各样的低速冲击，从而给材料带来一些细微的、不可见的损伤，严重时还会影响材料的力学性能[4－8]。 纤维的混杂协同效应可用来提高抗冲击性能[9－10]，Swolfs 等人[11]采用CF 与玻璃纤维混杂进行冲击实验，发现与纯CF 复合材料相比能量吸收提高了40%。 张辰等人[12]利用有限元模拟与实验相结合研究发现，CF与玻璃纤维相间铺层且CF 作为冲击面这种铺层结构抗冲击性能最好。 王海雷等人[13]研究发现CF 的含量影响冲击性能，当CF 与玻璃纤维含量相近时，抗冲击性能表现最好的为层间结构。 Shishevan 等人[14]将玄武岩纤维加入CF 复合材中不仅可以降低成本，还可以将CF 复合材料的抗冲击性能提高，吸收冲击能量提高了186%。 Gustin 等人[15]将CF/Kevlar 混杂制备夹层结构的复合材料，发现混杂复合材料在吸收能量和抗冲击方面具有更加优异的性能。 M.Bunea 等人[16]研究分析CF 与芳纶铺层和纤维的取向对其低速冲击的影响，发现纤维取向对损伤区域纤维的断裂有影响，且0°铺层取向复合材料的抗冲击性能最高。

聚酰亚胺纤维(PIF)[17－18]具备优异的力学性能及低密度，与芳纶纤维相比有更优异的耐温性能和更低的吸水性[19－20]。 因此本文选用PIF 和CF混杂，通过改变两种纤维在混杂复合材料中占比和铺层位置制备不同结构复合材料，使用落锤试验测试复合材料低速冲击性能，并通过C 扫描观察低速冲击后复合材料内部的损伤形貌，研究PIF/CF 增强树脂基混杂复合材料抗冲击性能。

1 试验材料及方法

1.1 实验材料及样品制备

预浸料采用CF(中复神鹰提供的品种为SYT55S)和PIF(奥神新材提供的品种为甲纶Hyploy®)制备，使用树脂为惠柏新材的品种为WPS5001，CF 预浸料和PIF 预浸料的面密度分别为125 g/m2和150 g/m2。 将两种预浸料按照表1 的设计进行铺层，其中A、B 和C 为CF 和PIF 不同比例的铺层样品，B－H1、B－H2、B－H3 和B－H4 是两种纤维占比相同但铺层方式不同的四种样品，结构示意图如图1 所示，采用模压工艺进行制备成型。

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表1 PIF/CF 混杂复合材料铺层设计

图1 CF 和PIF 预浸料铺层结构示意图

1.2 测试与表征

采用MTS ZCJ1302－AD 落锤冲击机器进行低速冲击实验，直径为12.5 mm 的半圆型冲击头，冲击头质量为2.0 kg。 按照ASTM－D7136 测试标准进行低速冲击测试，通过调整落锤的高度来调节冲击能量，冲击能量设置为20 J，冲击样品大小为150 mm× 100 mm，冲击之后的试样采用PVA AM300 型号的超声波C 扫描对损伤形貌进行检测，脉冲的重复频率为30 MHz，增益值28 dB。

图9 为PIF 和CF 不同占比的层合板低速冲击后的C 扫描图，其中从白色到黑色代表其损伤程度越来越大。 从图11 中可以看出，随PIF 的含量的增加，其损伤程度越来越小，损伤面积也越来越小，进一步证明了PIF 的含量的影响材料的抗冲击能力，其中PIF 含量越大抗损伤能力越强，而从样品的冲击后的光学照片也可以得到(见图10)。 从损伤形状来看，由于试样的铺层角度都为[0/90]4S，因此其损伤形状都是基本相似，损伤方向主要为0°和90°方向。 CF 含量最多的样品A 损伤更为严重，损伤形状沿0°和90°的扩展且更损伤纹路更多沿纤维扩展，这主要因为CF 高强高模的特性，使得材料在受外力时，能量更容易沿纤维扩展从而导致