隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益提高，單質(zhì)材料很難滿足性能的綜合要求和高指標(biāo)要求。而復(fù)合材料與單質(zhì)復(fù)合材料的性能相比，性能更加優(yōu)越。近年來(lái)，復(fù)合材料得到了迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)領(lǐng)域。
 

      復(fù)合材料一般由增強(qiáng)體和基體組成，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)原材料的選擇、各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，使原組分材料優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，呈現(xiàn)出優(yōu)越的綜合性能，如高強(qiáng)度、高模量和低密度等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高強(qiáng)度高模量纖維、樹(shù)脂基體以及纖維和樹(shù)脂間的界面構(gòu)成。傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成本較高，層壓復(fù)合材料因?yàn)槿鄙賈向的紗線，在厚度方向的力學(xué)性能較差。三維機(jī)織復(fù)合材料的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料容易分層的缺陷，而且預(yù)制件是一塊整體，具有近似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，減少了工藝流程，降低了成本，具有優(yōu)良的抗沖擊性能^{[1, 2]}。
 

       近年來(lái)，對(duì)混雜結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的研究得到了發(fā)展。因?yàn)榛祀s結(jié)構(gòu)，即在同一塊基體中，含有多種增強(qiáng)體，能滿足設(shè)計(jì)者特別的要求?；祀s的主要目的：獲得較高性能的復(fù)合材料，既保持材料原有的優(yōu)點(diǎn)，又能克服本身的缺陷；降低成本，使用比較廉價(jià)的材料作為復(fù)合材料的組分，但不影響性能。
 

      玄武巖連續(xù)纖維具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度、彈性模量及斷裂伸長(zhǎng)都比較大，在一些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)完全可以代替玻璃纖維、碳纖維等充當(dāng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，而且性價(jià)比非常優(yōu)越^[7-9]。玄武巖連續(xù)纖維的使用范圍特別廣，還具有很強(qiáng)的耐酸、耐堿性能，高電絕緣性能及對(duì)電磁波的高透過(guò)性，隔熱、隔音特性，防電磁輻射的特性，過(guò)濾凈化特性等性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。
 

       芳綸纖維具有超高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐酸耐堿、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，芳綸可用作先進(jìn)復(fù)合材料，用于航空航天領(lǐng)域、艦船、汽車工業(yè)中；用作防彈制品，可以用來(lái)制作硬質(zhì)防彈裝甲板、軟質(zhì)防彈背心；可以用于基礎(chǔ)設(shè)施和建材、芳綸增強(qiáng)混凝土、芳綸增強(qiáng)木材、傳送帶、纜繩、特種防護(hù)服裝、體育運(yùn)動(dòng)器材、電子設(shè)備等方面^[10]。

本文主要制作了三維正交混雜機(jī)織（芳綸/玄武巖纖維）復(fù)合材料，通過(guò)比較兩種混雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料拉伸和剪切性能，探討了混雜模式對(duì)混雜復(fù)合材料拉伸和剪切性能的影響。
 

       所用的兩種纖維是玄武巖纖維和芳綸纖維 (Kevlar 129)，其中玄武巖紗線密度為670tex；芳綸紗線密度為314tex。樹(shù)脂基體為環(huán)氧618和固化劑5510。
 

        三維織造工藝在三維正交織機(jī)上完成。在本實(shí)驗(yàn)中，在三維正交織機(jī)上織造了兩種不同的織物，分別是層間混雜結(jié)構(gòu)和層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)。所謂的層間混雜結(jié)構(gòu)，就是與傳統(tǒng)混雜結(jié)構(gòu)相似，在經(jīng)向和緯向上包含一層玄武巖紗線和一層芳綸紗線；層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)就是在同一層中玄武巖紗線和芳綸紗線交替排列。層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)的預(yù)制件比較復(fù)雜，需要雙向引緯，因此，在經(jīng)向和緯向上，玄武巖紗線和芳綸交替排列。預(yù)制件的經(jīng)緯密度為5根/cm，六層經(jīng)紗，七層緯紗。三維正交織物結(jié)構(gòu)如圖1所示。
                                        

圖1 三維正交織物結(jié)構(gòu)

       采用真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型方法固化制作復(fù)合材料。在壓強(qiáng)為0.7MPa的條件下，浸潤(rùn)預(yù)制件，從室溫升高到80℃，保持2小時(shí)，再升溫至100℃，保持0.5小時(shí)，再降至室溫，完成固化。
 

        采用排水量的方法測(cè)量復(fù)合材料的密度。將每種復(fù)合材料制成25cm×25cm的試樣，浸潤(rùn)在水中，記錄排出水的體積值。在電子天平上稱量每件試樣的重量，并記錄，計(jì)算出每件試樣的密度。如表1所示。

表1 混雜復(fù)合材料的密度

復(fù)合材料	經(jīng)紗層數(shù)	緯紗層數(shù)	復(fù)合材料密度 (g/cm3)	厚度(mm)	纖維種類
					經(jīng)紗	緯紗
層間混雜	6	7	1.51	5.10 ±0.05	K+B	K+B
層內(nèi)混雜	6	7	1.44	5.00 ±0.07	K+B	K+B

                                  注：表中K表示芳綸纖維（314tex），B表示玄武巖纖維(670tex)。

      本實(shí)驗(yàn)采用試樣法直接計(jì)算纖維體積含量。將每種復(fù)合材料制成100mm×100mm的試樣。用排水量法測(cè)出每件試樣的體積。分別數(shù)出經(jīng)向和緯向的紗線數(shù)量，包括Z紗的數(shù)量。根據(jù)已知的紗線特?cái)?shù)，可以計(jì)算出每件試樣中芳綸纖維和玄武巖纖維的重量和體積，考慮到復(fù)合材料中的空隙，進(jìn)而得出基體、芳綸纖維和玄武巖纖維的體積含量，如表2所示。

表2 混雜復(fù)合材料的纖維和基體體積含量

復(fù)合材料	經(jīng)紗		緯紗		Z紗(%)	總的纖維體積含量(%)	基體(%)
	玄武巖纖維(%)	芳綸纖維 (%)	玄武巖纖維 (%)	芳綸纖維(%)
層間混雜	6.03	6.89	11.92	18.17	8.19	51.20	48.8
層內(nèi)混雜	6.26	7.15	14.22	16.27	6.82	50.72	49.27

       本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于兩種三維機(jī)織混雜復(fù)合材料即層間混雜和層內(nèi)混雜，分別準(zhǔn)備三種試樣：0°(經(jīng)向)/45°/90°(緯向)。對(duì)于0°和90°，分別制作了5個(gè)試樣。對(duì)于 45°，制作了三個(gè)試樣。所有的試樣是根據(jù)GB/T1447-2005標(biāo)準(zhǔn)制作的。在噴水切割機(jī)上切割試樣。試樣在0°和90°方向上切割成25mm×250 mm的矩形。然后將其打磨成狗骨頭形，如圖2所示。試樣的最小寬度是10mm. 試樣在45°方向上也切割成25mm×250 mm的矩形。
                                 

                                             圖2拉伸測(cè)試試樣

       根據(jù)GB/T 1447-2005標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)試?yán)煨阅堋nstron 3382 可以加載100KN。對(duì)層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試。兩種復(fù)合材料分別在經(jīng)向(0°) 和緯向(90°)進(jìn)行拉伸測(cè)試，每組五個(gè)試樣。通過(guò)載荷峰值和試樣的截面積來(lái)計(jì)算拉伸強(qiáng)度。在試樣中間貼有應(yīng)變片，通過(guò)這些試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線計(jì)算出楊氏模量。分別將拉伸強(qiáng)度和楊氏模量比上對(duì)應(yīng)方向纖維的體積含量，得到歸一化強(qiáng)度和歸一化模量。在±45°方向上進(jìn)行偏軸拉伸測(cè)試，每組三個(gè)試樣，測(cè)試其剪切性能。夾頭的加載速度為3 mm/min，隔距為10 cm。
 

       圖3所示是層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料經(jīng)向的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線，起初呈線性關(guān)系，之后由于樹(shù)脂的微小裂痕，線性關(guān)系的斜率下降，然后再線性增加，直到材料失效。
                                
                                   圖3 層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料經(jīng)向應(yīng)力—應(yīng)變曲線

        表3所示是層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料拉伸性能的對(duì)比。其中層間混雜復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度為222MPa，經(jīng)向楊氏模量為12.8GPa；層內(nèi)混雜復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度為281.4MPa，經(jīng)向楊氏模量為15.53GPa?？梢钥闯鰧娱g混雜復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度和楊氏模量比層間混雜復(fù)合材料高?？紤]到這兩種復(fù)合材料的纖維體積含量，計(jì)算出歸一化強(qiáng)度和歸一化模量，層間混雜復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸歸一化強(qiáng)度為1718.27MPa，經(jīng)向歸一化模量為99.07GPa；層內(nèi)混雜復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸歸一化強(qiáng)度為2098.43MPa，經(jīng)向歸一化模量為115.81GPa，可見(jiàn)層內(nèi)混雜復(fù)合材料的歸一化強(qiáng)度比層間混雜復(fù)合材料的歸一化強(qiáng)度大22.12%，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的歸一化模量比層間混雜復(fù)合材料的歸一化模量大16.9%。因?yàn)槔w維排列方式不同，可以推論出纖維排列方式對(duì)混雜復(fù)合材料拉伸性能的影響是顯著的。在層內(nèi)混雜復(fù)合材料中，玄武巖紗線和芳綸紗線的交替排列層有助于載荷的傳導(dǎo)；而在層間混雜復(fù)合材料中，因?yàn)槊繉蛹喚€組分不一致，層與層之間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而降低了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。

表3 層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料拉伸性能的對(duì)比

     
       圖4所示的是層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料經(jīng)向的拉伸破壞模式，兩種材料經(jīng)拉伸破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來(lái)，纖維和基體發(fā)生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，不同的是，因?yàn)閷娱g混雜復(fù)合材料的層間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，被抽拔出的纖維較多，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的斷面比層間混雜復(fù)合材料的整齊。
                              


                               圖 4 (a)層間混雜復(fù)合材料經(jīng)向和(b)層內(nèi)混雜復(fù)合材料經(jīng)向的拉伸破壞
 

             所示的是層間復(fù)合材料在經(jīng)向和緯向的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其變化關(guān)系與圖3反映的相同。
                              
           
      表4所示的是層間混雜復(fù)合材料經(jīng)向拉伸和緯向拉伸性能的對(duì)比，層間混雜復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度為222MPa，經(jīng)向楊氏模量為12.8GPa；緯向拉伸強(qiáng)度為538MPa，緯向楊氏模量為26.4GPa，可以看出緯向的拉伸強(qiáng)度比經(jīng)向的高，緯向的楊氏模量比經(jīng)向的高?？紤]到經(jīng)向和緯向的纖維體積含量，計(jì)算出歸一化強(qiáng)度和歸一化楊氏模量，層間混雜復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸歸一化強(qiáng)度為1718.27MPa，經(jīng)向歸一化模量為99.07GPa；緯向拉伸歸一化強(qiáng)度為1787.97MPa，緯向歸一化模量為87.74GPa。緯向的歸一化強(qiáng)度比經(jīng)向的高，但緯向的歸一化模量比經(jīng)向的低，緯向的歸一化強(qiáng)度比經(jīng)向的大4.06%，緯向的歸一化模量比經(jīng)向的小11.44%，因?yàn)榫曄虻睦w維體積含量比經(jīng)向的高，層間混雜復(fù)合材料的緯向歸一化強(qiáng)度比經(jīng)向的高；但緯向較高的纖維體積含量增加了纖維間相互滑移，導(dǎo)致緯向的歸一化模量降低，而且由于Z紗的存在和織造工藝中經(jīng)紗預(yù)加張力的影響，有利于經(jīng)向歸一化模量的提高。

表4 層間混雜復(fù)合材料經(jīng)向拉伸和緯向拉伸性能的對(duì)比

圖6所示的是層間混雜復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向的拉伸破壞模式，在經(jīng)向和緯向破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來(lái)，纖維和基體發(fā)生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，不同的是，因?yàn)閷娱g混雜復(fù)合材料的緯向纖維體積含量比經(jīng)向高，緯向較高的纖維體積含量增加了纖維間的相互滑移，緯向被抽拔出的纖維較多
                   
                             
                         圖6 (a)層間混雜復(fù)合材料經(jīng)向和(b)層間混雜復(fù)合材料緯向的拉伸破壞

       圖7所示的是層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料±45°偏軸向拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其變化關(guān)系與圖3反映的相同。
                      

       表5所示是層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料的剪切性能對(duì)比。層間混雜復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度為102MPa，剪切模量為3.15GPa；層內(nèi)混雜復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度為122MPa，剪切模量為3.97GPa，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和剪切模量都比層間混雜復(fù)合材料的高，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度比層間混雜復(fù)合材料的大19.61%，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的剪切模量比層間混雜復(fù)合材料的大26.03%。因?yàn)?/span>在層內(nèi)混雜復(fù)合材料中，玄武巖紗線和芳綸紗線的交替排列層有助于載荷的傳導(dǎo)；而在層間混雜復(fù)合材料中，因?yàn)槊繉蛹喚€組分不一致，層與層之間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而降低了復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和剪切模量。

      圖8所示的是層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料±45°偏軸向拉伸破壞模式。兩種材料拉伸破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來(lái)，纖維和基體發(fā)生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，斷口呈45°斜面，不同的是，因?yàn)閷娱g混雜復(fù)合材料的層間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，被抽拔出的纖維較多，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的斷面比層間混雜復(fù)合材料的整齊。
                                   

                                  圖8  (a)層間混雜和(b)層內(nèi)混雜復(fù)合材料剪切測(cè)試破壞

       層內(nèi)混雜復(fù)合材料的經(jīng)向歸一化強(qiáng)度和經(jīng)向歸一化模量比層間混雜復(fù)合材料的高。層間混雜復(fù)合材料緯向的歸一化強(qiáng)度比經(jīng)向的高，但緯向的歸一化模量比經(jīng)向的低。層內(nèi)混雜復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和剪切模量比層間混雜復(fù)合材料的高。層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料經(jīng)向的拉伸破壞模式、層間混雜復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向的拉伸破壞模式和層間混雜和層內(nèi)混雜復(fù)合材料±45°偏軸向拉伸破壞模式，兩種材料經(jīng)拉伸破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來(lái)，纖維和基體發(fā)生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，但偏軸拉伸的斷口呈45°斜面。而且因?yàn)閷娱g混雜復(fù)合材料的層間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，被抽拔出的纖維較多，層內(nèi)混雜復(fù)合材料的斷面比層間混雜復(fù)合材料的整齊；因?yàn)閷娱g混雜復(fù)合材料的緯向纖維體積含量比經(jīng)向高，緯向較高的纖維體積含量增加了纖維間的相互滑移，緯向被抽拔出的纖維較多。