隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對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要求。而復合材料與單質(zhì)復合材料的性能相比，性能更加優(yōu)越。近年來，復合材料得到了迅猛發(fā)展，廣泛應用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)領(lǐng)域。
 

      復合材料一般由增強體和基體組成，經(jīng)過設(shè)計，通過對原材料的選擇、各組分分布的設(shè)計和工藝條件的保證等，使原組分材料優(yōu)點互補，呈現(xiàn)出優(yōu)越的綜合性能，如高強度、高模量和低密度等。纖維增強復合材料是由高強度高模量纖維、樹脂基體以及纖維和樹脂間的界面構(gòu)成。傳統(tǒng)的纖維增強復合材料的成本較高，層壓復合材料因為缺少Z向的紗線，在厚度方向的力學性能較差。三維機織復合材料的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)層壓復合材料容易分層的缺陷，而且預制件是一塊整體，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，對混雜結(jié)構(gòu)增強復合材料的研究得到了發(fā)展。因為混雜結(jié)構(gòu)，即在同一塊基體中，含有多種增強體，能滿足設(shè)計者特別的要求?；祀s的主要目的：獲得較高性能的復合材料，既保持材料原有的優(yōu)點，又能克服本身的缺陷；降低成本，使用比較廉價的材料作為復合材料的組分，但不影響性能。
 

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

       芳綸纖維具有超高強度、高模量、耐高溫、耐酸耐堿、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，芳綸可用作先進復合材料，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、芳綸增強混凝土、芳綸增強木材、傳送帶、纜繩、特種防護服裝、體育運動器材、電子設(shè)備等方面^[10]。

本文主要制作了三維正交混雜機織（芳綸/玄武巖纖維）復合材料，通過比較兩種混雜結(jié)構(gòu)復合材料拉伸和剪切性能，探討了混雜模式對混雜復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上完成。在本實驗中，在三維正交織機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)的預制件比較復雜，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)

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

        采用排水量的方法測量復合材料的密度。將每種復合材料制成25cm×25cm的試樣，浸潤在水中，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，計算出每件試樣的密度。如表1所示。

表1 混雜復合材料的密度

復合材料	經(jīng)紗層數(shù)	緯紗層數(shù)	復合材料密度 (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)。

      本實驗采用試樣法直接計算纖維體積含量。將每種復合材料制成100mm×100mm的試樣。用排水量法測出每件試樣的體積。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)已知的紗線特數(shù)，可以計算出每件試樣中芳綸纖維和玄武巖纖維的重量和體積，考慮到復合材料中的空隙，進而得出基體、芳綸纖維和玄武巖纖維的體積含量，如表2所示。

表2 混雜復合材料的纖維和基體體積含量

復合材料	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

       本實驗中，對于兩種三維機織混雜復合材料即層間混雜和層內(nèi)混雜，分別準備三種試樣：0°(經(jīng)向)/45°/90°(緯向)。對于0°和90°，分別制作了5個試樣。對于 45°，制作了三個試樣。所有的試樣是根據(jù)GB/T1447-2005標準制作的。在噴水切割機上切割試樣。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拉伸測試試樣

       根據(jù)GB/T 1447-2005標準測試方法測試拉伸性能。Instron 3382 可以加載100KN。對層間混雜和層內(nèi)混雜復合材料進行測試。兩種復合材料分別在經(jīng)向(0°) 和緯向(90°)進行拉伸測試，每組五個試樣。通過載荷峰值和試樣的截面積來計算拉伸強度。在試樣中間貼有應變片，通過這些試樣的應力—應變曲線計算出楊氏模量。分別將拉伸強度和楊氏模量比上對應方向纖維的體積含量，得到歸一化強度和歸一化模量。在±45°方向上進行偏軸拉伸測試，每組三個試樣，測試其剪切性能。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)混雜復合材料經(jīng)向的拉伸應力—應變曲線，起初呈線性關(guān)系，之后由于樹脂的微小裂痕，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)混雜復合材料經(jīng)向應力—應變曲線

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

表3 層間混雜和層內(nèi)混雜復合材料拉伸性能的對比

     
       圖4所示的是層間混雜和層內(nèi)混雜復合材料經(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，纖維和基體發(fā)生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，不同的是，因為層間混雜復合材料的層間容易產(chǎn)生應力集中，被抽拔出的纖維較多，層內(nèi)混雜復合材料的斷面比層間混雜復合材料的整齊。
                              


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

             所示的是層間復合材料在經(jīng)向和緯向的拉伸應力—應變曲線，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合材料經(jīng)向拉伸和緯向拉伸性能的對比，層間混雜復合材料的經(jīng)向拉伸強度為222MPa，經(jīng)向楊氏模量為12.8GPa；緯向拉伸強度為538MPa，緯向楊氏模量為26.4GPa，可以看出緯向的拉伸強度比經(jīng)向的高，緯向的楊氏模量比經(jīng)向的高。考慮到經(jīng)向和緯向的纖維體積含量，計算出歸一化強度和歸一化楊氏模量，層間混雜復合材料的經(jīng)向拉伸歸一化強度為1718.27MPa，經(jīng)向歸一化模量為99.07GPa；緯向拉伸歸一化強度為1787.97MPa，緯向歸一化模量為87.74GPa。緯向的歸一化強度比經(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%，因為緯向的纖維體積含量比經(jīng)向的高，層間混雜復合材料的緯向歸一化強度比經(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 層間混雜復合材料經(jīng)向拉伸和緯向拉伸性能的對比

圖6所示的是層間混雜復合材料的經(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，纖維和基體發(fā)生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，不同的是，因為層間混雜復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)層間混雜復合材料經(jīng)向和(b)層間混雜復合材料緯向的拉伸破壞

       圖7所示的是層間混雜和層內(nèi)混雜復合材料±45°偏軸向拉伸應力—應變曲線，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)混雜復合材料的剪切性能對比。層間混雜復合材料的剪切強度為102MPa，剪切模量為3.15GPa；層內(nèi)混雜復合材料的剪切強度為122MPa，剪切模量為3.97GPa，層內(nèi)混雜復合材料的剪切強度和剪切模量都比層間混雜復合材料的高，層內(nèi)混雜復合材料的剪切強度比層間混雜復合材料的大19.61%，層內(nèi)混雜復合材料的剪切模量比層間混雜復合材料的大26.03%。因為在層內(nèi)混雜復合材料中，玄武巖紗線和芳綸紗線的交替排列層有助于載荷的傳導；而在層間混雜復合材料中，因為每層紗線組分不一致，層與層之間容易產(chǎn)生應力集中，因而降低了復合材料的剪切強度和剪切模量。

      圖8所示的是層間混雜和層內(nèi)混雜復合材料±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，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，因為層間混雜復合材料的層間容易產(chǎn)生應力集中，被抽拔出的纖維較多，層內(nèi)混雜復合材料的斷面比層間混雜復合材料的整齊。
                                   

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

       層內(nèi)混雜復合材料的經(jīng)向歸一化強度和經(jīng)向歸一化模量比層間混雜復合材料的高。層間混雜復合材料緯向的歸一化強度比經(jīng)向的高，但緯向的歸一化模量比經(jīng)向的低。層內(nèi)混雜復合材料的剪切強度和剪切模量比層間混雜復合材料的高。層間混雜和層內(nèi)混雜復合材料經(jīng)向的拉伸破壞模式、層間混雜復合材料的經(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，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。而且因為層間混雜復合材料的層間容易產(chǎn)生應力集中，被抽拔出的纖維較多，層內(nèi)混雜復合材料的斷面比層間混雜復合材料的整齊；因為層間混雜復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。