高性能纤维增强复合材料弯曲性能研究

高性能纤维增强复合材料弯曲性能研究

由于其良好的强度、轻重低价，且适用于航空航天、船舶制造、医疗、体育等领域。纺织结构的增强织物形式有机织物、针织物、编织物、非织造布等。针织轴向织物因具有更优异的力学性能而越来越受到人们的青睐,到目前为止,针织轴向衬纱织物主要以经编线圈捆绑为主,该织物虽然具有很好的力学性能,但其三维曲面成型性能却并不理想,在这种情况下,纬编双轴向多层衬纱织物(MBWK织物)应运而生。纬编双轴向多层衬纱织物中的衬纱呈完全平行顺直状态,对应力的反应速度快,该类织物既充分发挥了高性能纱线高强高模的特点,又充分利用了纱线层间的剪切变形性与针织线圈的可变形性,使织物不但具有优异的力学性能,还具有其它织物不可比拟的三维曲面可成型性能。迄今为止,国内外已有不少对经编轴向织物增强的复合材料的力学性能的研究,而对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料的力学性能的研究尚处于起步阶段。本文对几种高性能纤维的纬编双轴向多层衬纱织物增强的树脂基复合材料的弯曲性能进行了性能测试和分析,对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料的力学性能的研究和结构设计提供了一定的依据。1测试1.1材料的制备和固化成型试验所用复合材料的增强结构为纬编双轴向三层衬纱织物,衬纱铺层结构为外边两层衬纬纱,中间一层衬经纱,其绑缚结构均采用1+1罗纹组织。试验使用的增强织物共有三种,使用的衬纱材料分别为玻璃纤维、高强聚乙烯纤维、玻璃纤维与高强聚乙烯纤维的层间交织(即衬经纱和其中一层衬纬纱为高强聚乙烯纤维,另外一层衬纬纱为玻璃纤维),其绑缚线圈均使用涤纶低弹丝。单种纤维织物增强的层合板由四层织物按相同的方向叠加复合而成,层间混合织物增强的复合材料由三层织物按相同的方向叠加而成,固化成型采用RTM成型工艺,即树脂传递模塑法固化成型。本试验所用树脂基体由乙烯基酯树脂与固化剂、促进剂按照一定的比例配制而成。固化后各试样的纤维体积含量见表1(绑缚纱的纤维体积含量可以忽略不计)。其中1#、2#试样分别为玻璃纤维的横向、纵向试样;3#试样为高强聚乙烯纤维的横向试样;4#试样为混合复合材料中聚乙烯纤维为上层,玻璃纤维为下层的横向试样;5#试样为混合复合材料中玻璃纤维为上层,聚乙烯纤维为下层的横向试样。1.2纤维增强塑料性能试验方法目前,以纬编双轴向多层衬纱织物为增强结构制成的复合材料,还没有与其完全相对应的弯曲性能测试标准。我们采用纤维增强塑料性能试验方法总则(GB1446-83)和玻璃纤维增强塑料弯曲性能实验方法(GB1449-83),即采用三点加载简支梁法加工试样并对其弯曲性能进行测试,试样尺寸是相同的,如表2所示。试验仪器为日本津岛(SHIMAZU)AG250KNE型万能试验机,弯曲的加载速度为2mm/min。2试验结果与分析2.1横向弯曲性能图1所示为玻璃纤维纬编双轴向多层衬纱织物增强的乙烯基酯复合材料纵、横向试样的三点弯曲试验载荷-挠度曲线。由图1可以看出,玻璃纤维织物增强的复合材料(1#、2#试样)在弯曲过程中,随着挠度的增大,其载荷基本呈线性增加,材料到达破坏载荷后,载荷呈“阶梯”状下降。其中横向试样在弯曲过程中,曲线在载荷达到最大值之前出现波动,这说明在载荷达到最大载荷之前,试样就会发生部分破坏。试验过程中我们发现,每个横向试样的弯曲载荷-挠度曲线都呈现出这一现象,说明在载荷达到最大值之前,横向试样发生部分破坏并不是偶然的,而是横向试样破坏的一个特征。由于横向试样中承受载荷的纤维主要为纬向纤维,纵向试样中承受载荷的纤维主要为经向纤维,因此,经分析可以得出,弯曲载荷-挠度曲线出现上述现象的原因为:横向试样各层增强织物中承受载荷的纬纱分为上、下两层,在弯曲的过程中上层纤维首先发生破坏,然后下层纤维破坏,而纵向试样中承受载荷的经纱只有一层(对于每层织物来说),大部分同时发生破坏。图2所示为玻璃纤维织物、高强聚乙烯纤维织物与玻璃纤维/高强聚乙烯的层间混合织物增强的复合材料的横向弯曲性能曲线。由图2中可以看出,对于3#试样(高强聚乙烯纤维织物增强的复合材料),其载荷随挠度呈非线性增加,到达破坏载荷后,随挠度的增加,载荷基本不再变化或略有降低。4#试样(上层为聚乙烯纤维下层为玻璃纤维的层间混合织物增强的复合材料)在弯曲过程中与玻璃纤维增强复合材料的曲线类似,载荷与挠度呈线性增加,达到最大载荷后,呈“阶梯”状下降,只是挠度较大。5#试样(上层为玻璃纤维下层为聚乙烯纤维的层间混合织物增强复合材料)的载荷-挠度曲线呈线性增加,直到试样破坏,随后载荷呈波动性下降。另外,我们发现含有玻璃纤维的复合材料横向试样在弯曲试验中,均在载荷达到最大值之前出现了波动。结合图1、2,我们可以得出,含有玻璃纤维的复合材料,其横向试样在试验过程中,弯曲载荷-挠度曲线在载荷达到最大值之前均会出现波动现象。这是由于玻璃纤维是脆性纤维,在受到弯曲载荷时首先发生断裂,而聚乙烯纤维为柔性纤维,不易发生弯曲断裂,因此含有玻璃纤维的复合材料在弯曲过程中,在载荷达到最大值之前会出现波动现象,而只有聚乙烯纤维增强的复合材料不会出现波动现象。2.2拉伸和弯曲试验检测主要表现为一般复合材料在做弯曲试验时,正面纤维因受到压缩作用而发生纤维的屈曲变形甚至断裂,同时树脂基体也承受了较大的压应力,使纤维/基体界面发生脱粘,形成肉眼可见的斑痕。在复合材料的反面,由于受到拉应力的作用,有的材料发生材料分层破坏,有的材料因拉伸而发生纤维断裂破坏。1#、2#试样在弯曲过程中,其破坏主要表现为正面出现白斑,部分纤维因压缩作用而发生断裂,反面的部分纤维因拉伸和弯曲而断裂。3#试样在弯曲试验中,正面因压应力的作用,纤维出现屈曲变形。4#试样正面(即上层)的聚乙烯纤维发生屈曲变形,并与基体发生脱离,反面的玻璃纤维则因拉伸和弯曲作用部分发生断裂。5#试样的破坏主要表现为正面玻璃纤维因受到压应力的作用发生弯曲变形,导致纤维断裂,纤维与基体脱层,反面无明显的破坏现象。2.3弯曲性能分析经过对试验数据的分析得出,纬编双轴向衬纱织物增强复合材料具有很好的弯曲性能。由于试验所用的材料纤维体积含量略有不同,为使测得的数据具有可比性,我们分别求出材料的比强度和比模量(即用材料的弯曲强度和弹性模量除以各自的纤维体积含量,得到单位纤维体积含量时的强度和模量,简称为比强度和比模量)。所测材料的弯曲强度和弯曲模量以及比强度和比模量如表3所示。由表3可以看出,就玻璃纤维织物增强复合材料而言,其横向弯曲比强度略小于纵向的弯曲比强度,而横向的弯曲比模量则大于纵向的弯曲比模量。另外比较两种复合材料的横向弯曲性能,我们发现,玻璃纤维织物增强复合材料的弯曲强度和模量均远远大于高强聚乙烯纤维织物增强复合材料。由玻璃纤维/高强聚乙烯纤维层间混合织物增强的两种复合材料的比强度和比模量,均介于玻璃纤维增强复合材料和高强聚乙烯纤维增强复合材料的弯曲性能之间,且以聚乙烯纤维为上层的4#试样的比强度大于上层为玻璃纤维的5#试样,而比模量则是前者小于后者。3纤网材料的力学性能(1)不同的材料有不同的破坏模式,主要与其材料有关;(2)对于单种纤维增强的复合材料,弯曲比强度为玻璃纤维增强复合材料大于高强聚乙烯纤维增强复合材料,弯曲比模量为玻璃纤维增强复合材料大于高强聚乙烯纤维增强复合材料;(3)玻璃纤维/高强聚乙烯纤维层间混合织物增强复合材料,其比强度和比模量均介于两单种纤维增强复合材料之间,即小于玻璃纤维增强复合材料,大于聚乙烯纤维增强复合材料;(4)层间混合织物增强复合材料,聚乙烯纤维为上层的复合材料与玻璃纤维为上层的复合材料相比,前者的比强度大于后者,