芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料低速沖擊實驗研究

孫　穎，史寶會，李濤濤，劉麗敏，陳　利

(天津工業(yè)大學 復合材料研究所 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津　300387)

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芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料低速沖擊實驗研究

孫穎，史寶會，李濤濤，劉麗敏，陳利

(天津工業(yè)大學 復合材料研究所 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津300387)

芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料具有靈活的可設計性和較高的減重效率，設計制備了2種層間混雜、2種夾芯混雜和層內混雜共5種混雜結構的芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料層板，通過落錘沖擊試驗研究了混雜結構、高強聚乙烯纖維混雜含量對其沖擊載荷、沖擊彈性應變能、沖擊損傷形貌等抗沖擊性能的影響。結果表明，芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料層板載荷峰值均大于2種單一纖維復合材料層板，試樣沖擊正面與背面均為芳綸纖維的層間混雜層板沖擊載荷峰值最大，沖擊正面與背面均為高強聚乙烯纖維的混雜層板分層損傷嚴重；5種混雜結構層板吸收的能量均小于單一纖維層板，而彈性應變能均大于單一纖維層板。在沖擊能量相近的情況下，層內混雜層板沖擊后損傷面積最?。浑S著高強聚乙烯纖維混雜含量增加，載荷峰值先增大后減小，當高強聚乙烯纖維混雜含量約為40%時，層間混雜復合材料層板沖擊載荷峰值最大。文中進一步分析了混雜復合材料層板的沖擊損傷破壞機制，為低速沖擊防護產品的研發(fā)提供一定設計依據(jù)。

芳綸；高強聚乙烯纖維；復合材料；混雜結構；低速沖擊性能

0　引言

芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料是由芳綸和高強聚乙烯纖維增強同一種樹脂基體的復合材料。芳綸纖維具有高強、高模、快速應力傳播和優(yōu)良的抗沖擊性能，廣泛用于抗沖擊防護領域[1-2]。高強聚乙烯(也稱超高分子量聚乙烯Ultra-high Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE)纖維密度低(0.97 g/cm3)，具有良好的斷裂韌性和能量吸收性能[3]。芳綸/高強聚乙烯纖維混雜復合材料充分利用了2種纖維優(yōu)良的抗沖擊性能的優(yōu)勢，具有靈活的可設計性和較高的減重效率。

國內外學者對芳綸/UHMWPE纖維混雜復合材料力學性能做了大量研究，Jang[4]研究了2層Kevlar/UHMWPE纖維混雜復合材料的抗低速沖擊阻抗和吸能機制，發(fā)現(xiàn)混雜復合材料層板產生較大分層和塑性變形。Park[5]分析了層間混雜和夾芯混雜Kevlar/UHMWPE纖維混雜復合材料層板的彎曲性能，當Kevlar纖維位于彎曲上表面且分散度較小時，夾芯混雜層板彎曲強度和彎曲模量大。胡靖元[6]總結出芳綸平紋織物復合材料層板的沖擊損傷機理主要包括纖維屈曲、大量纖維抽拔和斷裂、裂紋擴展以及穿透。李思輝[7]研究了UHMWPE增強線性低密度聚乙烯層板落錘沖擊性能，將其破壞過程分為拉伸、剪切和分層3個階段，層板吸能機理主要是纖維和基體的斷裂、纖維與基體分層。大量關于芳綸纖維、UHMWPE纖維分別和炭纖維[8-10]、玻璃纖維[11]玄武巖纖維[12]混雜復合材料的研究工作表明，芳綸纖維及其混雜復合材料主要通過纖維斷裂和抽拔吸能，而UHMWPE纖維及其混雜復合材料主要通過纖維彎曲和復合材料分層吸能。

文獻表明，芳綸/UHMWPE纖維混雜復合材料層板的研究主要集中在層間混雜、夾芯混雜，鑒于層內混雜結構可使得2種纖維混雜更為均勻，本文設計制備了2種層間混雜、兩種夾芯混雜和層內混雜5種混雜結構的芳綸/UHMWPE纖維混雜復合材料層板，利用落錘沖擊測試，討論了混雜結構、UHMWPE纖維混雜含量對其沖擊載荷、沖擊吸收能量、沖擊損傷形貌等抗沖擊性能的影響，通過觀測試樣沖擊形貌，分析損傷破壞機理，評價了5種混雜結構的芳綸/UHMWPE纖維混雜復合材料的抗沖擊性能，為提高混雜復合材料層板抗沖擊性能提供了設計依據(jù)。

1　實驗方法

1.1原材料

增強纖維采用杜邦Kevlar49芳綸纖維和中國石化儀征化纖UHMWPE纖維，樹脂基體采用常熟佳發(fā)化學有限公司JL-236環(huán)氧樹脂(葉片專用樹脂)，固化劑為JL-239，纖維和樹脂性能見表1。

表1　纖維和樹脂性能

復合材料層板單層平紋織物在天津工業(yè)大學紡織學院小樣機織造，包括UHMWPE纖維單層織物、Kevlar49纖維單層織物和Kevlar49/UHMWPE纖維混雜單層織物，3種單層織物結構參數(shù)見表2。

表2　單層織物結構參數(shù)

采用樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，RTM)工藝制備的兩種層間混雜、兩種夾芯混雜和層內混雜共五種混雜結構復合材料層板，如圖1所示，具體參數(shù)見表3。圖1中，SI-K表示Kevlar49纖維層板，SI-U表示UHMWPE纖維層板；IE-K表示以表層為Kevlar49織物的5層層間混雜層板；SA-K表示表層為kevlar 49纖維，夾層為三層韌性UHMWPE纖維夾芯雜層板。SA-U表示表層為UHMWPE纖維，芯層為3層Kevlar49織物夾芯混雜層板；IA-KU表示Kevlar49/UHMWPE層內混雜層板。

圖1　Kevlar49/UHMWPE復合材料混雜結構示意圖

編號混雜結構層板厚度/mm層板密度/(g/cm3)纖維體積含量/%UHMWPE纖維比例/%SI-KSingle-Kevlar492.201.3541.400SI-USingle-UHMWPE2.041.1654.40100IE-KIE-UInter-hybrid2.002.081.301.1946.0347.504060SA-KSA-USandwich2.062.021.221.2845.7043.606040IA-KUJntar-hybrid2.041.2745.9050

1.2測試方法

依據(jù)標準《樹脂基復合材料落錘沖擊損傷容限試驗方法》(ASTM D7136/D7137-07)[13]，采用Instron Dynatup 9250HV(圖2)進行落錘沖擊試驗，半球形錘的直徑為12.7 mm，重量6.5 kg，試樣尺寸為150 mm×100 mm×2 mm，依據(jù)標準選取沖擊能量為13.4 J，每組測試5次。試驗中采用防二次沖擊裝置，沖擊后觀測試樣破壞形貌。

圖2　落錘沖擊試驗機

2　實驗結果與討論

2.1沖擊載荷-時間曲線

圖3給出了7種復合材料層板沖擊載荷-時間曲線，在加載初始階段(約1 ms之前)，所有層板均出現(xiàn)了一段短暫的輕微波動段(區(qū)域A)，之后載荷出現(xiàn)一個明顯的掉落，因為沖擊頭端與試樣剛剛接觸，應力集中在錘頭的尖端，纖維和樹脂基體受到擠壓，試樣產生壓縮變形而出現(xiàn)凹陷，層板剛度重新分布。有文獻指出A區(qū)域是層板分層的開始[14-15]，試樣由未損傷狀態(tài)到損傷狀態(tài)的轉折點[16]。隨著錘頭繼續(xù)下落，載荷-時間曲線基本保持平滑上升的同時伴隨微小的波動，試樣產生不聯(lián)通的細小裂紋，直到拐點B，曲線進入第二階段，發(fā)生可見的塑性變形，曲線劇烈波動，試樣發(fā)生了嚴重纖維斷裂抽拔、凹坑、分層破壞。

圖3　Kevlar49/UHMWPE纖維混雜復合材料層板沖擊載荷-時間曲線

芳綸層板SI-K載荷-時間曲線斜率明顯大于聚乙烯層板SI-U，載荷迅速達到峰值，曲線上波動范圍較大(從拐點B開始)，材料結構發(fā)生嚴重損傷，表現(xiàn)為韌性破壞；聚乙烯層板SI-U載荷-時間曲線緩慢爬升，曲線整體較光滑，表現(xiàn)明顯的塑性破壞。層間混雜層板載荷-時間曲線在拐點B后，出現(xiàn)載荷嚴重跌落，曲線進入劇烈波動區(qū)域；夾芯混雜層板載荷-時間曲線，拐點B出現(xiàn)在載荷峰值處，隨后曲線進入波動區(qū)域；層內混雜層板載荷-時間曲線基本平滑上升直到載荷峰值，沒有明顯的拐點B。

圖4給出7組混雜復合材料層板沖擊載荷峰值對比圖。圖4中，芳綸層板SI-K只能承受較低的沖擊載荷，當混入40%的UHMWPE纖維后，夾芯混雜層板SA-U和層間混雜層板IE-K的沖擊載荷峰值分別是芳綸層板SI-K的1.6倍和1.8倍；當UHMWPE纖維含量為50%時，層內混雜層板IA-KU載荷峰值比層間混雜層板IE-K減小了3%，當UHMWPE纖維含量增加到60%時，夾芯混雜層板SA-K和層間混雜層板IE-U的沖擊載荷峰值比層板IE-K分別減小3.9%和5.1%；UHMWPE層板SI-U的沖擊載荷峰值只有1.98 kN。這些數(shù)據(jù)說明隨著UHMWPE纖維體積含量的增加，沖擊載荷峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，沖擊阻抗與其趨勢一致[17]。

圖4　沖擊載荷峰值對比圖

在UHMWPE纖維含量相同的情況下，混雜結構對復合材料的沖擊載荷有很大影響，特別是沖擊正面與背面纖維層不同時，沖擊正面和背面為Kevlar49纖維層可有效抵抗落錘的沖擊,并最終發(fā)生近似脆性斷裂來提高承載能力，沖擊正面和背面為彎曲剛度較低的UHMWPE纖維層，沖擊時層合板則發(fā)生大彎曲變形，承載能力較低。從圖4可看出，UHMWPE纖維含量為40%的層間混雜層板IE-K的載荷峰值最大，其原因是，Kevlar49纖維的模量為UHMWPE纖維的1.4倍，展現(xiàn)了良好的面內剛度，有效抵擋了沖擊頭端的下落；同時，UHMWPE纖維的斷裂伸長率為Kevlar49纖維的1.6倍，層間韌性的UHMWPE纖維層在壓實過程中，通過變形吸收部分能量。因此，層間混雜IE-K展現(xiàn)了良好的協(xié)同作用，提高了損傷阻抗，沖擊載荷峰值最大；表層纖維為Kevlar49纖維層夾芯SA-K，因芯層為3層韌性UHMWPE纖維，UHMWPE纖維的變形成為破壞的主導因素，因而載荷峰值小于層間混雜IE-K；而表層纖維為UHMWPE纖維層的層間混雜IE-U與夾芯混雜SA-U層合板表層剛度低，載荷峰值小，而夾芯混雜SA-U層合板，芯層為3層剛性Kevlar49纖維層有效地抑制了正面韌性UHMWPE纖維層的變形，有助于能量吸收和抵擋落錘下落，因此沖擊載荷峰值較層間混雜IE-U大。

2.2沖擊能量-時間曲線

圖5為7組混雜復合材料層板能量-時間曲線對比圖，曲線開始處于平穩(wěn)上升階段，逐漸達到最大值，隨后表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律?？傮w上把曲線劃分為3個區(qū)域[18]：第1個區(qū)域中復合材料層板吸收能量較少，與圖3中A區(qū)的時間基本對應；第2個區(qū)域中能量迅速增加，與圖3載荷-時間曲線上的彈性階段與劇烈波動階段相對應，為主要吸能區(qū)；第3個區(qū)域中單一纖維復合材料層板SI-K與SI-U能量吸收基本保持不變，而其他混雜復合材料層板曲線出現(xiàn)明顯下降。

圖5　Kevlar49/UHMWPE纖維混雜復合材料層板沖擊能量-時間曲線

沖擊過程中一部分能量被材料吸收，這部分能量通過層板塑性變形、分層、纖維斷裂和抽拔、基體開裂等形式吸收，另一部分是試樣變形回彈的能量[19]，混雜復合材料層板與單一纖維復合材料層板能量吸收機理差異較為明顯，圖5中第三區(qū)域5種混雜復合材料出現(xiàn)能量回彈，這部分能量未被試樣吸收，轉化為了彈性應變能。

圖6為7組層板彈性應變能對比圖，UHMWPE纖維層板SI-U中UHMWPE纖維斷裂伸長率大，模量小，在沖擊時主要發(fā)生整體塑性變形吸能，彈性應變能較小，僅為0.42 J；沖擊時芳綸試樣SI-K被穿透，彈性應變能最小，為0.08 J。5種芳綸/UHMWPE纖維混雜層板沖擊彈性應變能均大于單一纖維復合材料，隨UHMWPE纖維含量增加，彈性應變能先減少后增加，UHMWPE含量為60%的夾芯混雜層板SA-K彈性應變能最大。

圖6　彈性應變能對比圖

不同混雜結構對層合板彈性應變能有重要影響，當混雜層板沖擊正面與背面纖維不同時，彈性應變能差異較大，夾芯混雜SA-K與層間混雜IE-K層板表層為模量較大的Kevlar49纖維層，彈性應變能較大；同時，夾芯混雜較層間混雜層板彈性應變能大1.8%，因為層間混雜IE-K層板在沖擊過程中，試樣產生了嚴重的凹坑和更多的Kevlar49纖維斷裂，與夾芯混雜SA-K相比吸收了較多能量，彈性應變能較少(圖7)。表層為UHMWPE纖維層的層板(IE-U、SA-U)彈性應變能比表層為Kevlar49纖維層的層板彈性應變能小，層間混雜IE-U彈性應變能比夾芯混雜SA-U大7.9%，是因為在層間混雜IE-U中2種纖維層相間排列，沖擊時展現(xiàn)良好的協(xié)同作用；同時夾芯混雜SA-U的分層損傷大于IE-U(圖7)試樣吸收能量較層間混雜IE-U多。因此彈性應變能較IE-U小，層內混雜IA-KU彈性應變能介于層間混雜與夾芯混雜之間。

2.3沖擊損傷觀測與分析

圖7為7組層板破壞形貌，在纖維體積含量相近的情況下，將破壞形貌分為3類：(1)沖擊正面為Kevlar49纖維的層板(SI-K、IE-K、SA-K)主要發(fā)生面積較大的壓實和凹陷、纖維抽拔和斷裂，表現(xiàn)出明顯的韌性破壞；(2)沖擊正面為UHMWPE纖維的層板(IE-U、SA-U、SI-U)主要發(fā)生凹陷和大面積分層破壞，表現(xiàn)出明顯的塑性破壞；(3)沖擊正面為Kevlar49/UHMWPE纖維混雜織物時，層內混雜層板發(fā)生了小面積的凹陷和分層。

圖7　7種復合材料層板沖擊損傷形貌照片

Kevlar49纖維層板SI-K沖擊后錘頭接觸區(qū)域凹陷最為嚴重、四周擠壓形成隆起，凹陷處同時發(fā)生了基體開裂、纖維抽拔與斷裂，沒有出現(xiàn)明顯的分層，試樣被穿透。UHMWPE纖維層板SI-U沖擊后出現(xiàn)分層的增白區(qū)域，沖擊正面分層區(qū)為“十”字狀，沖擊背面為“一”字狀，UHMWPE纖維斷裂伸長率大，沖擊正面與背面均未出現(xiàn)纖維斷裂，試樣發(fā)生塑性屈曲破壞和分層破壞。

沖擊正面與背面纖維不同時，層板的沖擊損傷明顯不同。沖擊正面與背面均為Kevlar49纖維層的層間混雜IE-K與夾芯混雜SA-K層板，均沒有發(fā)生明顯的分層，損傷區(qū)域主要集中在沖擊點的周圍，沖擊正面沖擊點處發(fā)生凹陷，沖擊區(qū)域纖維與樹脂被擠壓。與Kevlar49纖維層板不同，層間混雜層板IE-K并沒有被穿透，沖擊背面產生了3條規(guī)整的裂紋損傷，纖維發(fā)生嚴重的拉伸斷裂和抽拔。這是因為層間混雜層板IE-K中斷裂伸長率大的UHMWPE纖維層通過塑性變形吸收了大部分能量。與層間混雜層板IE-K不同的是，夾芯混雜層板SA-K沖擊正面出現(xiàn)凹坑和“一”字型的分層增白區(qū)域；同時，Kevlar49纖維與樹脂脫粘并伴隨基體開裂，沖擊背面也出現(xiàn)明顯的基體開裂和少量的纖維抽拔。沖擊正面與背面為UHMWPE纖維的層間混雜層板IE-U與夾芯混雜層板SA-U，沖擊點周圍出現(xiàn)分層破壞的增白區(qū)域，沖擊正面的分層區(qū)域為“蝴蝶”狀，沖擊背面是以沖擊點為中心“菱形”增白區(qū)域，層板分層嚴重，與沖擊正面與背面均為Kevlar49纖維層的層間和夾芯混雜層板相比，試樣發(fā)生大面積的分層失效。因為UHMWPE纖維為大分子直鏈組成，支鏈較少，其界面性能比Kevlar49纖維差[20]；沖擊時應力波沿沖擊方向傳播，傳播到纖維層時反射，形成與原來方向逆向的應力波，造成纖維層之間的撕扯，產生分層；其次，UHMWPE纖維彎曲剛度小，當沖擊正面與背面均為UHMWPE纖維時，層板IE-U與SA-U分層嚴重。

層內混雜層板IA-KU凹坑深度較小，沒有發(fā)生明顯的塑性變形，層板正面沖擊后出現(xiàn)“蝴蝶”狀增白區(qū)域，沖擊點處發(fā)生了纖維的滑移。由圖7層板“Inside damage”圖片中陰影部分可觀察到層板分層、纖維斷裂等損傷形式[19]，本文以強背光源下經緯交織所形成的陰影記為一點，定量統(tǒng)計圖中的陰影點來表征損傷面積見圖8。從圖8可看出層內混雜沖擊損傷面積最小。

圖7中層內混雜層板IA-KU沖擊背面纖維基體開裂，極少量Kevlar49纖維發(fā)生斷裂，沒有出現(xiàn)UHMWPE纖維的斷裂，增白區(qū)域小，分層損傷較少，試樣結構破壞形式較少，這也對應解釋了其載荷-位移曲線整體較為光滑的原因。出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因是，兩種纖維在層內展現(xiàn)了良好的協(xié)同作用，模量較大、伸長率較小的Kevlar49纖維對伸長率較大的UHMWPE纖維的變形起到了抑制作用，各單層之間彎曲剛度相近，混雜均勻性最好，減少了分層發(fā)生。

圖8　7種復合材料層板內部沖擊損傷面積定量

3　結論

(1)2種層間混雜、2種夾芯混雜和層內混雜的5種 Kevlar49/UHMWPE纖維混雜復合材料層板的沖擊載荷峰值和彈性應變能均大于2種單一纖維復合材料層板，抗沖擊性能得到很大改善。

(2)混雜結構對復合材料層板的抗沖擊性能有很大影響，尤其是沖擊正面與背面纖維層不同時，沖擊正面與背面均為芳綸纖維的層間混雜層板沖擊載荷峰值最大。隨著UHMWPE纖維含量的增加，沖擊載荷峰值呈現(xiàn)先增大后、減小的趨勢，當UHMWPE纖維含量為40%時，層間混雜復合材料層板展現(xiàn)了最大的載荷峰值。

(3)在沖擊能量相近的情況下，Kevlar49/UHMWPE層內混雜層板沖擊后損傷區(qū)域最小。而在層間混雜中，IE-K損傷面積最小，展現(xiàn)了良好的沖擊損傷阻抗。

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(編輯：薛永利)

Experimental research on the impact properties of aramid/UHMWPE fiber hybrid composite laminates

SUN Ying,SHI Bao-hui,LI Tao-tao,LIU Li-min,CHEN Li

(Key Laboratory of Advanced Textile Composites (Ministry of Education), Institute of Textile Composites, Tianjin Polytechnical University,Tianjin300387,China)

Aramid/UHMWPE fiber hybrid composites have good design flexibility and high weight efficiency.In this paper,five kinds of different hybrid structures of Aramid/UHMWPE fiber hybrid composite laminates were prepared,including two kinds of interlayer hybrid,two kinds of sandwich hybrid and one interlayer hybrid,and they were tested by falling weight impacts to study the hybrid structure and the effects of the UHMWPE fiber content on the impact peak load,the elastic energy and the impact damage.Results show that the Aramid/UHMWPE fiber hybrid composite laminates peak load is larger than that of two kinds of single fiber composite laminates. Aramid fiber interlayer hybrid laminate presents maximum peak impact load on the impact front and back surface,and there exists serious delamination damage on the impact front and back surface of UHMWPE fiber laminate.Five kinds of hybrid structure laminates absorption energy are less than that of single fiber laminates,and elastic energy is more than that of single fiber laminates.The interlayer hybrid laminate show the minimum damage area for the equal impact energy.With the increase amount of the UNMWPE,the peak impact load will increase first then decrease.When the amount comes to 40%, the interlayer hybrid laminates show the largest impact load.In this paper the hybrid composite laminate damage and failure mechanisms were further analyzed,and the results provide a theoretical and experimental basis for the development of low-impact protection products.

aramid fiber;UHMWPE fiber;composites;hybrid structure;low velocity impact properties

2015-06-12；

2015-07-16。

國家自然基金青年科學基金(11102133)；航空飛行器發(fā)動機立體織物增強復合材料葉片關鍵技術研究(15ZCZDGX00340)。

孫穎(1974—),女,博士,研究方向為立體織物及其復合材料制備與性能評價。E-mail：sunying@tjpu.edu.cn

V448.15

A

1006-2793(2016)05-0709-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.05.020