f—12芳綸纖維混雜復(fù)合材料縱向壓縮性能研究

1、航 天制造技術(shù)2 0 0 3年 4月第2期F 一 12 芳綸纖維混雜復(fù)合材料縱 向壓縮性能研究 西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程 學(xué)院 曾金芳 喬生儒 陜西非金屬材料工藝研究所 丘哲明王庭武 文摘 研究 了鋪層參數(shù)及纖維表面處理對(duì) F - 1 2 芳綸纖維與 H T A — P 3 0 碳纖維混雜復(fù)合材料縱向壓縮 性能的影響。結(jié)果表 明，該混雜復(fù)合材料體系的縱 向壓縮強(qiáng)度高于混合定律的預(yù)測(cè)值 ，表現(xiàn) 出明顯的混雜正效應(yīng)。鋪層順序?qū)v 向壓縮強(qiáng)

2、度和模量沒(méi)有顯著影響。F - 1 2 纖維經(jīng)剛性涂層處理后，可提高混 雜復(fù)合材料的壓縮性能。主題詞 F _ 1 2 芳綸纖維 混雜復(fù)合材料 纖維表 面處理 界面 1引言 芳綸纖維因具有 高的比強(qiáng)度和 比剛度 ，在航 空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但 由于其復(fù)合材料 的抗壓縮性能較低，限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。混雜復(fù)合材料是指兩種或兩種 以上纖維增強(qiáng) 同種基體的復(fù)合材料。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)幕祀s復(fù)合材料 可 以綜合利用不同纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)點(diǎn)，達(dá) 到揚(yáng)

3、長(zhǎng)避短 的目的，從而獲得 比單一復(fù)合材料性 能更優(yōu)異的材料。如芳綸纖維復(fù)合材料具有 良好 的斷裂韌性 ，但是抗壓縮性 能差，而碳纖維復(fù)合 材料的斷裂韌性低 ，但抗壓縮性能 良 好 。如果將 芳綸纖維與碳纖維混雜制備混雜復(fù)合材料 ，則在 提高芳綸復(fù)合材料抗壓縮性 能的同時(shí)也可改善碳 纖維復(fù)合材料的斷裂韌性。為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué) 者進(jìn)行 了大量 的研究 ，但迄今為止，所研究的混 雜復(fù)合材料主要 為 K e v l a r - 4 9 ／ C

4、F 、G F ／ C F 以及 K e v l a r ／ G F 體系l l ~ 2 J ，而對(duì)高性能芳綸纖維 F 一 1 2混雜復(fù)合材料的研究，還未見(jiàn)到文獻(xiàn)報(bào)道。本文 以 F 一 1 2纖維和 H T A — P 3 0 碳纖維為增強(qiáng)材料 ，研 究了混雜 比、鋪層順序( 混雜界面數(shù)) 及纖維表面 處理對(duì)混雜復(fù)合材料的縱向壓縮性能的影響。2 實(shí)驗(yàn) 2 ． 1原材料 增強(qiáng)材料為 F 一 1 2有機(jī)纖維、H T A — P 3 0碳纖 維

5、，基體為我所 自行研制的環(huán)氧配方 A E 4 ，原材 料性能如表 1 所示。表 1 原材料性能 材料 規(guī)格 拉伸強(qiáng)度／ ~a拉伸模量／ GP a密度， g· c m。生產(chǎn)廠(chǎng)家 F 一 1 21 0 0 Tx4 2 0 01 3 01 ． 4 5進(jìn) 口} r r A — P 3 03 K3 8 3 02 3 01 ． 7 8進(jìn) 口A E 48 0 ～ 1 0 03 ． 5 ～ 4 ． 01 ． 2 44 3所 剛性涂層 8

6、 2 ～8 65 - 3 01 - 3 0自制 活性涂層 1 ． 2 2自制 收 稿 日期 ：2 0 0 3 — 0 1 — 2 09維普資訊 http://www.cqvip.com 航 天制造技 術(shù)2 0 0 3年 4月第2期維，縱 向壓縮強(qiáng)度可以增加 3 0 ％。可見(jiàn)，碳纖維 的加入， 可顯著提高 F - 1 2 纖維復(fù)合材料的縱 向壓 縮強(qiáng)度。由表 3可知，混雜比相同條件下，隨著混雜 界面

7、數(shù)增多( 即碳纖維層越分散) ，壓縮 強(qiáng)度變化 不大， 說(shuō) 明當(dāng)碳纖維層 的分散程度達(dá)到一定值時(shí)，鋪層順序?qū)?卜 1 2 ／ H 1 ' A _ P 3 0混雜復(fù)合材料體系的 壓縮強(qiáng)度沒(méi)有顯著的影響。3 ． 1 ． 2 縱 向壓縮模量 圖 2 縱向壓縮模量與混雜比關(guān)系一 混雜復(fù)合材料的縱 向壓縮模量與混雜比的關(guān) 系如圖 2所示 ，由圖可以看出，隨著碳纖維相對(duì) 含量的提高，壓縮模量增大 ，且基本上符合混合 定律，即縱向壓縮模量沒(méi)

8、有表現(xiàn) 出明顯的混雜效 應(yīng) 。此外 ，在 同一混雜 比情況下 ，壓縮模量不隨 界面數(shù)的變化而變化 ，即鋪層順序?qū)祀s復(fù)合材 料 的壓縮模量沒(méi)有顯著影響。3 ． 1 ． 3 縱 向壓縮破壞宏觀(guān)形貌 縱 向壓縮試樣破壞宏觀(guān)形貌如圖 3所示 。F 一 1 2纖維復(fù)合材料試樣壓縮破壞時(shí)， F - 1 2 纖維未 斷， 表現(xiàn)出失穩(wěn)破壞， 而 H T A - P 3 0 碳纖維復(fù)合材 料則不同，在壓縮破壞時(shí)，試樣斷裂成兩段 ，纖 維全部斷裂 。F

9、一 1 2與 H T A - P 3 0碳纖維的混雜復(fù) 合材料試樣壓縮破壞形式與純 F - 1 2纖維復(fù)合材 料 的相似，主要呈 “ 屈 曲”失穩(wěn)破壞 ，這主要是 F 一 1 2 纖維所起的作用，試樣破壞后，纖維未斷?？梢?jiàn)纖維混雜后，可 以顯著改變碳纖維復(fù)合材料 的壓縮破壞模式 。( a ) F 一 1 2 ／ A F AC o ) H y 一 1( c ) Hy 一 2( d ) H y 一 2 2( e ) H y 一 3( f )

10、 Hy 一 3 3( g ) H y 一 4( 1 1 ) C F ／ A E 4圖 3F _ 12 纖維混雜復(fù)合材料縱向壓縮破壞宏觀(guān)形貌 ( 纖維未處理 )3 ． 2 纖維表面處理對(duì)縱 向壓縮性能的影響 F 一 1 2纖維經(jīng) 剛性涂層處理后 與經(jīng)活性涂層 處理的 H T A — P 3 0 碳纖維制作混雜復(fù)合材料 ， 它們 的縱 向壓縮性 能測(cè)試結(jié)果如表 3 所示。3 ． 2 ． 1 對(duì)縱 向壓縮強(qiáng)度 的影響 纖維表面對(duì)縱 向壓縮強(qiáng)度

11、 的影響見(jiàn)圖 4所 示。由圖可 以看出，隨著界面粘接強(qiáng)度 的提 高，縱向壓縮強(qiáng)度有所提高， 并且與 F - 1 2纖維含量關(guān) 系很大 。F 一 1 2相對(duì)含量越多，則提高幅度大，這是由于 F 一 1 2纖維是采用剛性涂層材料處理，涂層模量比基體的大 ， 它一方面增大了復(fù)合材料 的剪切應(yīng)力 ， 另一方面 ， 在 F 一 1 2 纖維周?chē)纬?了類(lèi)似 的加強(qiáng)筋 ， 給混雜復(fù)合材料增加了支撐結(jié)構(gòu)，材料在受壓時(shí)不易發(fā)生屈 曲變形，從而復(fù)合材料