纤维复合管材的力学性能研究

　　摘要：探讨纤维材料和编织角度对纤维增强体复合管材力学性能的影响。采用碳纤维、涤纶长丝、高强聚乙烯纤维，分别编织不同角度(30°、45°和 60°)的管状增强体，经环氧树脂复合后对最终复合管材进行三点弯曲和横向压缩性能的测试分析，并在体视显微镜下观察复合管材的破坏形态。结果表明：碳纤维复合管材的弯曲载荷和横向压缩最大载荷均优于涤纶和聚乙烯纤维复合管材，但碳纤维复合管材在弯曲和压缩测试中出现了纤维和树脂的脆性断裂，材料被彻底破坏，而涤纶和聚乙烯纤维增强的复合管材韧性较好;相同原料的增强体，编织角为 30°时，复合管材的三点弯曲性能最好，60°时横向压缩性能最好。认为：增强体的纤维材料和编织角度对复合管材的最大载荷、弯曲性能和压缩性能有显著影响。

　　关键词：碳纤维;涤纶;高强聚乙烯;增强体;复合管材;弯曲性能;横向压缩性能

　　轻质纺织路面材料又称软体路面[1]，是由中空织物(界于平面织物与三维之间)和非金属加强筋(以下简称棒材)构成，其中棒材对中空织物起着支撑的作用，且对软体路面的整体性和结构强度影响较大。软体路面作为一种移动式软体防淤陷应急非金属路面，为保障路段的完好，改善地面条件[2]，将其广泛应用于道路工程保障、军用桥梁器材配套及机场应急抢修保障等多方面[3]。在棒材的研究中，玻璃钢[4]作为中空织物的支撑材料已经得到了产业化，但在应用过程中还存在一些问题，如玻璃钢具有沉重、易脆、抗剪切性差等特点，使得其在一些应用中受到限制。为了实现棒材的轻量化和高强度，本研究选用碳纤维、涤纶和高强聚乙烯纤维作为编织材料，制备中空的管材，代替传统棒材的作用，探究不同增强材料和编织角度对复合管材三点弯曲性能和横向压缩性能的影响。

　　1 试验部分

　　1.1 试验材料试验

　　选用 3 种纤维材料，分别为江苏恒力化纤股份有限公司生产的工业涤纶、浙江千禧龙纤特纤维股份有限公司生产的高强聚乙烯纤维以及东菀市索维特公司生产的碳纤维。复合试剂包括环氧树脂[E 44(6101)]和固化剂(低分子 650 的聚酰胺树脂)。

　　1.2 复合管材的制备

　　管状增强体的编织采用 24 锭 2 头的 KBL 24 2 90 型二维编织机器(徐州恒辉编织机械有限公司)，转速设置为 400 r/min，节距设置为 5.44 cm、3.14 cm 和 1.81 cm，得到 30°、45°和 60°3 种不同的编织角度，选用 1×1 菱形结构进行三层编织。最后将编织的预制件与树脂进行复合，得到复合管材。

　　2 复合管材性能测试

　　考虑到复合管材在软体路面中的支撑作用，以及管材在最终应用领域中承受载荷的情况，对 3 种不同纤维增强的复合管材进行三点弯曲和横向压缩性能的测试。按照 GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，选用 UTM5105 型万能材料试验机进行三点弯曲性能测试。试样长度为 8 cm，测试速度为 10 mm/min。每种复合管材测试5 个样品，取平均值。按照 GB/T 5352—2005《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》，选用 UTM5105型万能材料试验机进行横向压缩性能测试，试样长度为 4 cm，加载速度为 2 mm/min，加载位移为 5 mm。每种复合管材测试 5 个样品，取平均值。

　　3 测试结果分析

　　3.1 复合管材弯曲性能的测试分析不同增强纤维、不同编织角度的复合管材在三点弯曲过程中，最大载荷、弯曲弹性模量和载荷 位移曲线以及对应的破坏情况。

　　3.1.1 增强纤维材料对复合管材弯曲性能的影响分析

　　涤纶和高强聚乙烯纤维复合管材，由于纤维本身韧性较高，尤其高强聚乙烯纤维本身优异的抗剪切性能，使得其复合管材的韧性高于碳纤维复合管材，在加载后期只出现树脂的分层和开裂，而没有纤维的断裂损伤。

　　碳纤维复合管材在加载过程中通过以多种破坏的形式对加载能量进行转化吸收，进而提高加载载荷;而涤纶和高强聚乙烯纤维的断裂强度较碳纤维低，所得复合管材韧性较高，刚性较低，加载过程中呈现树脂的开裂和加载区树脂与增强体纤维的分层破坏形式，导致材料整体性破坏而提前失效，降低了承载载荷的最大值。

　　对比 3 种复合管材的弯曲弹性模量，发现 3 种材料的弯曲弹性模量的变化趋势不同。据文献报道，玻璃纤维复合管材弹性模量与编织角度的变化趋势为 30°>45°>65°，而纤维素纤维复合管材的弹性模量与编织角的变化趋势为 65°>45°>55°[5]。本试验测试结果显示，在编织角度为 30°时，碳纤维复合管材和涤纶复合管材具有最大的弹性模量与上述玻璃纤维复合管材的结果相似。而在编织角度为 60°时，高强聚乙烯纤维复合管材具有最大的弹性模量与上述纤维素纤维复合管材的结果相似，因此可以说明复合管材弯曲弹性模量与增强体材料的本身性质和编织角度有关。

　　3.1.2 编织角度对管材弯曲性能的影响分析

　　在三点弯曲的过程中，加载头对复合管材有向下的加载力，且编织方向为主要的承载方向，随着加载头位移的增加，管材上表面承受弯曲向内的挤压，下表面承受拉伸向外应力，将不同编织角度的复合管材的轴向展开得到，可以发现 30°编织角度在编织轴向的分力最大，也就是纤维承受挤压和拉伸方向的分力最大，所以复合管材承受载荷能力最好，其次是 45°，60°承受加载能力最小。其结果与力学曲线得到的结果相同，因此编织角度对棒材的承载能力具有较大的影响。

　　3.2 复合管材横向压缩性能的测试分析

　　将 3 种不同编织角度、不同纤维的复合管材分别进行横向压缩性能测试，并进行了载荷位移曲线分析。压缩试验设置位移为 5 mm，在 4.84 mm 取得复合管材的最大承载载荷。

　　3.2.1 增强纤维材料对复合管材抗压缩性能的影响分析对比 3 种不同增强纤维的复合管材抗压缩性能，碳纤维复合管材的抗压缩性能明显优于涤纶和高强聚乙烯纤维增强的复合管材，在加载初期碳纤维复合管材具有较大的载荷增长速率，因为碳纤维本身的刚度较大;而涤纶复合管材和高强聚乙烯复合管材在初始阶段载荷增长速率较小，说明管材的刚度较小。由于 3 种纤维增强的管材内径(7 mm)较小，在横向压缩加载过程中容易出现侧向挤压，显示碳纤维复合管材的屈服变形 45°>60°>30°，因此可以说明编织角度为 45°的碳纤维复合管材具有较大的弯曲刚度。

　　45°和 60°编织角的碳纤维复合管材在弹性变形阶段载荷随着位移的增加而增加，到达最高点时超出碳纤维复合管材的承载能力使得管材出现破坏，导致位移达到 3.5 mm 时出现最终失效状态(纤维和树脂的脆性断裂)，而在 3.5 mm~5mm 之间载荷力趋于上升状态是由试验中对失效的复合管材进行挤压所导致。载荷 位移曲线中，涤纶和高强聚乙烯纤维复合管材由于材料本身模量较低，柔韧性较好，在出现屈服点之后，继续加载，材料没有出现特别明显的加载失效。

　　3.2.2 不同编织角度对复合管材抗压缩性能的影响分析

　　碳纤维、涤纶和高强聚乙烯纤维材料复合管材具有相同的变化趋势，随着编织角度的增大，其横向承载能力越大。这是因为在压缩测试过程中，管材整体承受压头向下的载荷，承载主体为径向增强纤维，随着编织角度的增大，增强纤维径向承载的分力增大，复合管材整体承载能力增大。其次，编织角度越小，纤维沿轴向的分力越大，压缩加载时，材料各向异性程度越高，不利于材料整体承载。

　　4 结论

　　(1)纤维材料对纤维增强树脂复合管材的性能有较大的影响。在进行不同的加载试验时，碳纤维模量较高、刚度大、强度高，其加工而成的复合管材在测试过程中具有较大的承载能力和抗压缩能力。(2)编织角度对复合管材弯曲性能有显著影响。编织角度越小，在轴向的分力越大，承载性能越好，即 30°>45°>60°。(3)编织角度对复合管材压缩性能亦有明显影响。编织角度越大，在径向的分力越大，承载性能越好，即 60°>45°>30°。(4)涤纶复合管材和高强聚乙烯纤维复合管材进行比较，发现涤纶复合管材的承载能力要高于高强聚乙烯纤维复合管材的承载能力。

　　参考文献：

　　[1] 海雪珍,丁辛.便携式纺织路面织物的结构及其承载能力[J].纺织学报，2014，35(10):51 54.

　　[2] 路金宝，方达.英、美军用道路铺设车[J].汽车运用，1999(2)：14 15.

　　[3] 李平生,孙延明,杨茂德.移动式软体防淤陷应急非金属路面：200610170942.X[P].2006 12 30.

　　[4] 荆容,张锐涛,孟雨辰,等.连续玻璃纤维/聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数[J]. 复合材料学报 2020;37(11):2782 2788.

　　[5] UNLUSOY C,MELENKA G W.Flexural Testing of Cellulose Fiber Braided Composites Using ThreeDimensional Digital Image Correlation[J].Composite Structures,2019,230:11538.

　　作者：王烨然 1 刘君妹 1,2 郑美月 1 贾立霞 1,2 陈振宏 1.2