碳纖維雙軸向經編織物鋪層工藝對其復合材料力學性能的影響

王貝貝，談昆倫，邵慧奇，蔣金華

(1.東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2.東華大學紡織學院，上海 201620；3.常州市宏發縱橫新材料科技股份有限公司，江蘇 常州 213002)

0 引言

雙軸向經編增強復合材料作為復合材料領域最重要的增強材料之一，在航空航天、交通運輸和軍用設備等領域有廣闊的發展前景[1]。雙軸向經編織物結構穩定可設計性強，平行伸直排列的紗線結構使其充分發揮紗線的性能優勢，具有較好的抗沖擊性能和面內強度[2-4]。碳纖維復合材料在使用的過程中，不可避免地會受到各種力的作用，如拉伸、沖擊、撕裂、彎曲等，所以碳纖維復合材料的力學性能是用來評價材料好壞和適用性的重要指標，而碳纖維雙軸向經編織物的鋪層工藝是影響其復合材料力學性能的關鍵因素。

目前，從雙軸向經編增強結構參數及鋪層工藝出發研究其力學性能，已有一定的進展。李龍等[5]對比了雙軸向經編復合材料和同狀態下單向布復合材料的彎曲性能，結果表明:45°方向上多軸向經編復合材料的彎曲模量比單向布復合材料下降約26%。劉明礬等[6]對比了二軸、三軸和四軸三種多軸向經編復合材料的壓縮性能，結果表明:四軸比二軸壓縮強度提高125.7%。丁浩等[7]通過對箱體的加強筋設計、外形設計和鋪層結構設計，最終得出:采用井字框加強筋和圓角過渡外形設計時，能夠得到輕質高強的箱體。Bibo等[8]研究了多層疊合復合材料和多軸向經編復合材料在拉伸和壓縮過程中的變形和失效行為，結果表明:與多層疊合復合材料相比，多軸向經編復合材料的縱向拉伸強度和壓縮強度分別呈現不同程度的降低，依次為34.7%和40%。Truong等[9]采用相框剪切的實驗方法研究了雙軸向經編復合材料的剪切性能，結果表明:碳纖維多軸向經編織物鋪層工藝對其復合材料影響顯著，在產品設計開發中作為重要的考慮因素，也是材料設計及性能評估的重要手段。但是目前的研究，尤其是應用廣泛的雙軸向經編織物，其鋪層結構對復合材料性能的影響仍然缺乏系統的研究。

本文基于雙軸向經編碳纖維復合材料的實際用途，為了開發輕質高強的設備專用箱增強板材，深入探究碳纖維的鋪層工藝對復合材料力學性能的影響，從雙軸向經編碳纖維的鋪層角度、鋪層層數和鋪層克重三個方面來探究對碳纖維復合材料拉伸性能和彎曲性能的影響并分析其原因，為其在今后工業工程上的應用提供理論依據。

1 實驗

1.1 實驗材料

經編雙軸向PN300織物面密度是300g/m2，其碳纖維鋪層順序是±45°。經編雙軸向PN600織物面密度是600g/m2，其碳纖維鋪層順序是±45°。P和N分別表示經編雙軸向織物面內的碳纖維鋪層角度+45°和-45°。樹脂是由昆山裕博復合材料有限公司提供的WBH-120熱溶型環氧樹脂，碳纖維預浸料由常州市宏發縱橫新材料科技股份有限公司提供。

1.2 復合材料的制備

(1)按照40cm×40cm的尺寸裁剪好碳纖維預浸料；(2)實驗前先使用無水乙醇清潔鋼化玻璃板臺面并涂刷脫模劑，實驗開始先在鋼化玻璃板上貼一圈密封膠，再在密封膠范圍內鋪一層脫模布(大小略大于碳纖維預浸料的尺寸)；(3)將碳纖維預浸料的PE膜去掉，平鋪在脫模布上后去掉離型紙，注意預浸料的平展度和原始碳纖維的鋪層角度不被破壞，接著按照設計好的鋪層工藝將第二層碳纖維預浸料的PE膜剝離，均勻地平鋪在第一層預浸料上，為了排除預浸料層間的空氣，使用TPU軟棍均等的按壓其預浸料的離型紙，接著再使用同種方法鋪設第三層，以此類推完成預浸料的鋪放預復合；(4)在脫模布的空白區域上放置一根導流管以便后續抽真空，接著在鋪好的預浸料表面鋪一層脫模布，最后在大于密封膠的范圍內平鋪一層真空袋以營造一個密封的環境；(5)在導流管處接上真空泵開始抽真空，同時加熱臺從室溫開始以1℃/min～2℃/min的升溫速率升至120℃，在120℃條件下保溫180min，自然降溫至60℃以下脫模，得到碳纖維復合材料板。復合材料板鋪層工藝設計如表1所示:

表1 復合材料板鋪層工藝

不同鋪層角度下碳纖維鋪層結構如圖1所示，其中鋪層角度為[0°/0°]復合材料中碳纖維的鋪層順序為(+45°/-45°/+45°/-45°)，鋪層角度為[0°/45°]的鋪層順序為(+45°/-45°/0°/90°)，鋪層角度為[0°/90°]的鋪層順序為(+45°/-45°/-45°/+45°)。圖1中數字1表示鋪設第1層碳纖維的方向，數字2表示鋪設第2層碳纖維的方向，數字3和4以此類推。

圖1 不同鋪層角度的碳纖維鋪層結構

2 性能測試

2.1 拉伸性能

鋪層克重不同，其復合材料中碳纖維織物的承載能力不同，直接關乎其復合材料力學性能。雙軸向經編碳纖維鋪層克重對其復合材料板拉伸性能的影響如圖4所示。由圖4可知，同一塊復合材料板在經、緯向拉伸時的變化過程具有相似性，鋪層克重增加，雖然拉伸強力提高，但拉伸斷裂強度降低，PN600的斷裂強度比PN300降低10.7%。同一塊板經、緯向拉伸變化過程相似，理由同上。鋪層層數相同時，隨著鋪層克重的增加，碳纖維束變大，纖維間距減小，纖維不易扁平化，所以纖維之間的間隙和空隙會造成樹脂富集區，導致了板材在承載外部載荷時應力分布不均勻，降低了拉伸斷裂強度。

2.2 彎曲性能

鋪層層數不同，其復合材料中碳纖維織物的承載能力不同，直接關乎其復合材料力學性能。雙軸向經編碳纖維鋪層層數對其復合材料板拉伸性能的影響如圖3所示。由圖3可知，同一塊復合材料板在經、緯向拉伸時的變化過程具有相似性，鋪層層數增加，拉伸斷裂強度增加，鋪設4層復合材料板的斷裂強度比2層的提高22.9%。同一塊板經緯方向上碳纖維的分布情況一致，所以其拉伸曲線變化過程相似；在拉伸試樣的過程中，隨著載荷的增加，樹脂基體開始出現裂紋現象，并產生清脆的斷裂聲，同時部分纖維與樹脂界面失效，出現纖維抽拔和脫黏的現象，隨著載荷繼續增加，應力會在樹脂基體和雙軸向經編碳纖維織物增強體之間重新分配，雙軸向經編碳纖維織物成為主要的承載部件，所以隨著鋪層層數增加，雙軸向經編碳纖維織物承載能力增加，試樣拉伸至破壞所需要的載荷增加，拉伸斷裂強度增加[12]。

3 結果與討論

3.1 鋪層對拉伸性能的影響

3.1.1 鋪層角度對拉伸性能的影響

鋪層角度不同，其復合材料各個方向的纖維利用率不同，直接關乎其復合材料的力學性能。雙軸向經編碳纖維鋪層角度對其復合材料板的拉伸性能影響如圖2所示。由圖2可知，鋪層角度為[0°/0°]和[0°/90°]復合材料板拉伸曲線變化過程相似，鋪層角度為[0°/45°]的復合材料板拉伸斷裂強度比[0°/0°]和[0°/90°]兩塊板提高297.1%。在拉伸過程中，受力初始基體作為主要承載部件，隨著載荷增加，基體斷裂，出現纖維抽拔和脫黏現象，繼續增加載荷，雙軸向經編織物成為應力的主要承載部件。影響碳纖維復合材料板拉伸性能的因素主要有以下三種:碳纖維的強度和含量、樹脂的強度和化學穩定性、樹脂與纖維間的界面粘結性能[10]。由于碳纖維的斷裂強度遠大于基體的斷裂強度以及基體和纖維的粘結強度，所以試樣在拉伸過程中只有部分的碳纖維斷裂，破壞形式主要表現為碳纖維的抽拔和基體的斷裂[11]。因為[0°/0°]和[0°/90°]兩塊板碳纖維鋪層角度相似，所以拉伸曲線變化過程相似，[0°/45°]板有與拉伸方向平行排列的碳纖維作為主承力結構，可以充分發揮碳纖維本身的高強度優勢，其他軸向的碳纖維不受力或呈現相互交錯的結構，在板材拉伸的過程中只起到支撐的作用，所以其拉伸斷裂強度大于[0°/0°]和[0°/90°]兩塊板材。

圖2 鋪層角度對拉伸性能的影響

3.1.2 鋪層層數對拉伸性能的影響

中央全面深化改革領導小組第三十五次會議通過了《關于建立資源環境承載能力監測預警長效機制的若干意見》，強調“開展承載能力評價，規范空間開發秩序，合理控制開發強度，促進人口、經濟、資源環境的空間均衡”[1]。地質災害評價作為地質環境承載能力評價的主要內容之一，其成果對于區域空間規劃的編制、社會經濟空間布局的優化具有重要意義。

式中:ε為彎曲強度，MPa；p為破壞載荷，N；l為跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

采用QJ-2120電子萬能試驗機，參考標準GB/T 1449—2005對所制備的復合材料板進行彎曲性能測試。試樣長度按照(16±1)mm·厚度制備，寬度為15mm，試驗速度為2mm/min，經緯向各測3次，取平均值。

圖3 PN300鋪層層數對拉伸性能的影響

建筑工程施工中使用節能環保技術主要是在建設項目可行性研究、工程設計過程中，在保證建筑技術要求與用戶要求的基礎上，以節能環保性能為前提，盡量選擇新材料與新施工技術，減少建筑工程施工中及使用后可能會出現的能源損耗與環境污染，在施工中，做好原料回收利用，使能源利用實現最大化，以可持續發展為基本理念，實現建筑工程施工的資源環境友好型目的。目前，在建筑工程施工中主要通過選擇節能環保材料與節能環保施工技術實現節能環保要求。

采用INSTRON-5967萬能材料儀，參考標準GB/T 1447—2005對所制備的復合材料板進行拉伸性能測試。試樣尺寸為250mm×25mm，拉伸速度為2mm/min，夾持長度為170mm，經緯向各測3次，取平均值。

圖4 鋪層克重對拉伸性能的影響

3.2 鋪層對彎曲性能的影響

碳纖維雙軸向經編織物的鋪層工藝是影響復合材料板拉伸性能的關鍵因素，鋪層角度、鋪層層數和鋪層克重不同，其彎曲破壞性能也不同。試樣在彎曲破壞下的破壞載荷或最大載荷時的彎曲應稱為彎曲強度，其計算公式(1)如下。

3.1.3 鋪層克重對拉伸性能的影響

非洲豬瘟病毒可經過口以及上呼吸道系統進入身體中，然后在鼻咽部發生感染。之后該病毒會快速蔓延到下頜淋巴結處，且通過淋巴和血液在豬身體里蔓延。在病毒較強時豬身體內的細胞變化十分快，甚至在死亡前可能導致體內所有細胞死亡。

《愛麗絲夢游仙境》自1865年出版以來，一直深受不同年紀的讀者喜愛。此書已經被翻譯成至少125種語言，中文譯本超過30多種，到20世紀中期重版300多次，其流傳之廣僅次于《圣經》和莎士比亞的作品。這部小說將譽為英國魔幻文學的代表作、世界十大著名哲理童話之一。100多年來，《愛麗絲夢游仙境》被傳遍了世界各地，無數次被改編成戲劇、電影、電視劇、啞劇和動畫片等藝術形式，成為世界上流傳最廣、影響最大的兒童小說之一，陪伴無數兒童度過了歡樂時光。

鋪層角度不同，其復合材料中碳纖維織物的承載能力不同，直接關乎其復合材料力學性能。雙軸向經編碳纖維鋪層角度對其復合材料板彎曲性能的影響如圖5所示。由圖5可知，鋪層角度為[0°/0°]和[0°/90°]兩塊復合材料板彎曲曲線變化過程具有相似性，而鋪層角度為[0°/45°]板的經、緯向彎曲曲線變化趨勢有差異，緯向彎曲強度比經向提高109.5%。在彎曲實驗的過程中，材料上表面受到最大的壓應力，材料下表面受到最大的拉應力[13]，內部纖維雖受到剪切和壓力作用，但主要發生分層。載荷從材料外層向內層傳遞，當加載方向與最外層纖維取向一致時，材料抵抗破壞的能力越強，所需破壞載荷越大，彎曲強度越大。鋪層角度為[0°/45°]復合材料板的最大彎曲強度(緯向)大于鋪層角度為[0°/0°]和[0°/90°]的兩塊復合材料板，[0°/45°]板中碳纖維的分布方向更加均勻，從而使得各個方向的纖維同時承受載荷，極大地分散了復合材料的受力，消耗了更多的能量，降低局部應力集中，提高材料的承載能力[14]。

3.2.1 鋪層角度對彎曲性能的影響

圖5 鋪層角度對彎曲性能的影響

3.2.2 鋪層層數對彎曲性能的影響

1980年，“學成下山”的拉加德躊躇滿志，向法國乃至全球多家律師事務所投出求職申請，但結果卻令她再一次失望。她去一家法國律師事務所面試時，剛進去就被面試官告誡：女人只有在非正式及一些特殊情況下，才可能成為合伙人，一般只能整理檔案?！斑@實在令人難以接受，于是我頭也不回地走了?！焙髞砹碛幸粋€面試機會，來自總部設在芝加哥的貝克·麥堅時國際律師事務所?！罢勗挼氖俏慌?，我受雇了。這里的不同在于，并非美國人當頭，歐洲人是跟班，也不是年長的就是領導，年輕的就只干記筆記之類的雜活?！?5歲的她從一個實習生做起，先是在巴黎辦事處，而后因業績出色，直接調入位于美國芝加哥的全球運營中心。

鋪層層數不同，其復合材料中碳纖維織物的承載能力不同，直接關乎其復合材料力學性能。雙軸向經編碳纖維鋪層層數對其復合材料板彎曲性能的影響如圖6所示。由圖6可知，同一塊板經、緯向的彎曲曲線變化過程具有相似性，鋪設2層板的彎曲曲線斜率大于4層板大于3層板，鋪層層數增加，彎曲強度降低，4層板的彎曲強度比2層板的降低2.1%。隨著鋪層層數增加，材料中有更多的纖維承受載荷，分散復合材料板的受力，提高材料的彎曲性能，所以鋪層層數越多，材料所需的破壞載荷越大，斜率越大。但因為本次實驗采用PN600預浸料作為實驗對象，其碳纖維間距小，分布比較密集，樹脂浸潤不夠均勻，在抽真空時層與層之間還留有空氣，所以就造成了復合材料板上出現了樹脂富集區[15]。隨著鋪層層數的增加，其厚度增加，樹脂流動緩慢，依靠樹脂流動帶出氣泡的作用受到了限制，所以鋪層層數多的復合材料板形成的富樹脂區多[16]。本次實驗中的破壞裂紋大多都是從富樹脂區處產生并擴展，所以鋪設2層的復合材料板富樹脂區相對較少，曲線斜率最大。由公式(1)可知，雖然鋪層層數增加，彎曲強力有所提高，但厚度h增加，且厚度對彎曲剛度的影響更占主導作用，所以大大降低了材料的彎曲強度。

圖6 鋪層層數對彎曲性能的影響

3.2.3 鋪層克重對彎曲性能的影響

復合齒輪裝置由動力分配行星齒輪機構和電動機減速行星齒輪機構等組成。通過采用2套行星齒輪機構的齒圈和中間軸主動齒輪及駐車鎖止齒輪做成一體的復合齒輪，使復合齒輪裝置的結構更為緊湊和輕量化。動力分配行星齒輪機構的太陽齒輪連接至MG1、行星架連接至發動機、齒圈位于復合齒輪上。電動機減速行星齒輪機構的太陽齒輪連接至MG2、齒圈位于復合齒輪上、行星架固定至傳動橋外殼(圖3)。

鋪層克重不同，其復合材料中碳纖維織物的承載能力不同，直接關乎其復合材料力學性能。雙軸向經編碳纖維鋪層克重對其復合材料板彎曲性能的影響如圖7所示。由圖7可知，同一塊復合材料板在經、緯向被加壓彎曲時的變形過程具有相似性，鋪層克重增加，彎曲強度增加，PN600的彎曲強度比PN300提高27.6%。因為隨著鋪層克重增加，碳纖維間距減小，織物密度增大，在材料壓縮的過程中，有更多的纖維同時承受載荷，極大地分散了材料的受力，消耗了更多的能量，提高了材料的彎曲性能。

害蟲綜合治理認為害蟲防治不是以消滅害蟲種群為目的，而是將其種群的數量控制在經濟和環境可接受的范圍內，而在利用殺蟲劑進行害蟲防治時，殺蟲劑濃度隨著時間增加而遞減，至一定水平時其毒力就可能變為亞致死劑量，對害蟲群體而言，該范圍內劑量并不能導致其死亡，但能影響其行為或生理活動，故研究亞致死劑量的殺蟲劑與害蟲種群的生長發育、繁殖力及再猖獗之間的關系顯得尤為重要。

圖7 鋪層克重對彎曲性能的影響

4 結論

本文從雙軸向碳纖維織物的鋪層角度、鋪層層數和鋪層克重三個方面設計并制備了碳纖維復合材料板，并對其拉伸性能和彎曲性能進行了測試分析，得出以下結論:

(1)鋪層角度為[0°/0°]和[0°/90°]的復合材料板拉伸斷裂強度相似，且均小于[0°/45°]板；鋪層層數增加，拉伸斷裂強度增加；鋪層克重增加，拉伸斷裂強度降低；

(2)鋪層角度為[0°/0°]和[0°/90°]的復合材料板彎曲強度相似，[0°/45°]板經、緯向彎曲強度差異較大且緯向彎曲強度大于[0°/0°]和[0°/90°]板；鋪層層數增加，彎曲強度減??；鋪層克重增加，彎曲強度增加。