芳綸混編復(fù)合材料的抗沖擊性能研究進(jìn)展

范志平，靳高嶺

（1.上海芳峰綸科技有限公司 上海 201500；2.中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì) 北京 100020）

1引言

混編復(fù)合材料是使用嵌入單一基體中的兩種或兩種以上的纖維制成的，從而產(chǎn)生了一種性能不同于每種纖維類型和基體的新材料?；炀幊潭瓤梢允切∫?guī)模（纖維、絲束）或大規(guī)模（層、拉擠、肋）的，混編目的是構(gòu)建一種新材料，保留其成分的優(yōu)點(diǎn)，舍棄其缺點(diǎn)。在過(guò)去的幾十年里，混編復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的需求日益增加。高剛度、高強(qiáng)度、輕重量和適應(yīng)性是選擇這類材料的主要原因，特別是在航空和汽車應(yīng)用方面[1-2]。

近年來(lái)，混編芳綸夾層復(fù)合材料因其相對(duì)于傳統(tǒng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。對(duì)位芳綸是芳綸系列合成纖維中的一種，與玻璃纖維和鋼絲相比，對(duì)位芳綸具有優(yōu)異的強(qiáng)度重量比。此外，對(duì)位芳綸凱夫拉Kevlar 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高模量、良好的熱穩(wěn)定性、阻燃性、抗損傷性、高韌性和韌性[3-4]。因此，Kevlar 作為沖擊能量吸收結(jié)構(gòu)，通常以安全頭盔、戰(zhàn)斗頭盔和防彈衣的形式用于個(gè)人防護(hù)裝備。通過(guò)將相對(duì)高延伸率/低模量的Kevlar 與其他低延伸率/高模量的纖維相結(jié)合，可以具有每種增強(qiáng)材料的高機(jī)械性能的特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同纖維的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)用以改善復(fù)合材料的多種性能，從而形成平衡的混編復(fù)合層壓板。例如：如果通過(guò)在壓縮側(cè)承受穿透沖擊能量，并讓位于張力側(cè)的對(duì)位芳綸Kevlar 吸收更多能量，將碳纖維層放置在非對(duì)稱鋪層的受沖擊側(cè)，則混編積極效應(yīng)明顯[5]。文章綜述了芳綸/碳纖維、芳綸/玻璃纖維等二元及多元混編復(fù)合材料的抗沖擊性能的研究進(jìn)展。

2 混編結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的高分子復(fù)合材料相比，混編復(fù)合材料具有更好的機(jī)械和物理性能，已被用于航空、汽車等領(lǐng)域。這些復(fù)合材料可以根據(jù)需求調(diào)整以滿足重量、強(qiáng)度、抗沖擊性、精度和成本方面的不同設(shè)計(jì)要求。所有這些設(shè)計(jì)要求都可以通過(guò)改變纖維類型或方向、層間失配角、纖維體積分?jǐn)?shù)、混編配置和混編方法來(lái)定制[6-7]。

根據(jù)成分的混合方式，常見(jiàn)的有四種不同的混編方法。第一種被稱為“層內(nèi)混合纖維”，將兩種或兩種以上的纖維類型混合在同一層中；第二種被稱為“層間混合材料”，層壓板的每一層都包含一種纖維類型；第三種被稱為“三明治混合纖維”，其中一種單纖維類型的纖芯被夾在另一種纖維類型的兩層之間；最后一種被稱為“超級(jí)混合”，除了不同的纖維類型外，還使用了不止一種基體類型[8-9]。例如許多人造纖維和天然纖維用于混編復(fù)合材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸、玄武巖纖維等。

如今夾層復(fù)合材料在航空航天、海洋/海上工業(yè)和地面運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受歡迎。夾層復(fù)合材料非常適合需要高平面內(nèi)剛度和彎曲剛度的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，因其對(duì)局部沖擊載荷的抵抗力相對(duì)較差，復(fù)合材料的剛度和殘余強(qiáng)度在碰撞后會(huì)降低，使其在易受沖擊的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制[10-11]。如果使用Kevlar 纖維代替碳纖維結(jié)合使用，則使用Kevlar 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以顯著提高沖擊損傷容限[12]。Bunsell 和Harris[13]提出，一旦在層間混編材料中達(dá)到脆性層（碳纖維）的破壞應(yīng)變，如果層壓板之間的粘合足夠，載荷可以轉(zhuǎn)移到韌性層（Kevlar）。

3 成型工藝

最近，許多研究工作都致力于生產(chǎn)輕質(zhì)、高性能和低成本的高分子復(fù)合材料。熱固性或熱塑性復(fù)合材料可以通過(guò)在樹(shù)脂基體中加入增強(qiáng)纖維，優(yōu)化拉伸、沖擊和彎曲強(qiáng)度特性的方法來(lái)提高性能。人們對(duì)在傳統(tǒng)樹(shù)脂中結(jié)合多種纖維而制備的混編復(fù)合材料的需求逐漸增加。由于碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料容易受到?jīng)_擊，這些混合復(fù)合材料的目的主要是改善碳基層壓板的抗沖擊性。混編復(fù)合材料的性能可以通過(guò)各種制造因素來(lái)調(diào)整，一般來(lái)說(shuō)，纖維的類型和含量、纖維取向、堆疊順序、層壓形式和制造工藝，具有相同增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料也可以有不同的性能，這取決于層壓結(jié)構(gòu)的選擇[14]。

典型的加工技術(shù)，如高壓釜、樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）[15]、真空袋壓和手糊成型[16]等，已被用于制造適合工業(yè)應(yīng)用的高性能復(fù)合材料。高壓釜法可以生產(chǎn)出具有良好機(jī)械性能的高質(zhì)量材料，但安裝成本高，生產(chǎn)率低。真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（VARTM）[17]相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的材料質(zhì)量與高壓滅菌產(chǎn)品類似。

4 混編結(jié)構(gòu)沖擊性能研究進(jìn)展

隨著復(fù)合材料的廣泛使用，面臨的主要威脅也隨之而來(lái)，異物沖擊就是其中之一。例如，在制造過(guò)程或維護(hù)過(guò)程中，工具可能會(huì)掉落在結(jié)構(gòu)上。在這種情況下，雖然撞擊速度很小，但沖擊力比較大。夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比類似的金屬結(jié)構(gòu)更容易受到?jīng)_擊損傷。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，撞擊造成的內(nèi)部損傷通常無(wú)法通過(guò)常規(guī)目視檢查檢測(cè)到，這種內(nèi)部損傷會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度嚴(yán)重降低，并在負(fù)載下強(qiáng)損程度快速增長(zhǎng)。

耐沖擊性能研究的重要性可歸因于三個(gè)因素：（1）與類似的金屬結(jié)構(gòu)相比，在層壓復(fù)合材料中更容易誘發(fā)損傷；（2）在載荷下?lián)p傷會(huì)增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度會(huì)顯著降低；（3）沖擊損傷通常無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的目視檢查發(fā)現(xiàn)。因此，必須了解異物對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取適當(dāng)措施，來(lái)規(guī)避對(duì)復(fù)合材料造成的損傷。沖擊對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能影響一直是限制復(fù)合材料使用的一個(gè)重要因素。

熱固性或熱塑性復(fù)合材料可通過(guò)增強(qiáng)纖維在樹(shù)脂基體中的摻入和反應(yīng)來(lái)提高性能。在文獻(xiàn)中可以找到大量專注于扁平和整體碳纖維/芳綸混編層壓板沖擊分析的實(shí)驗(yàn)工作，主要是結(jié)合金屬箔和高分子層（即超級(jí)混合或纖維金屬層壓板）[18]使用相同基體但沿堆疊順序（即層間混編）或?qū)觾?nèi)（即層內(nèi)混編）交替使用不同纖維材料的實(shí)驗(yàn)工作。在彈道沖擊下，復(fù)合材料受到一些重要屬性的影響，如材料的各向異性、材料的壓實(shí)、相變、偏差耦合以及體積行為[19-20]。

4.1 芳綸與碳纖維混編復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

考慮到碳纖維和芳綸纖維作為環(huán)氧樹(shù)脂的補(bǔ)強(qiáng)材料，也進(jìn)行了一些研究。早在1978 年的時(shí)候Dorey 等人[21]研究了碳纖維和Kevlar 49 增強(qiáng)樹(shù)脂混合層壓板（2 層芳綸8 層碳纖維2 層芳綸K/C/K），損傷開(kāi)始的閾值能量是碳纖維復(fù)合材料的4 倍，斷裂能量是碳纖維復(fù)合材料的2 倍，沖擊后的殘余強(qiáng)度優(yōu)于碳纖維復(fù)合材料，并且在某些情況下優(yōu)于Kevlar 復(fù)合材料。單向K/C/K 的靜態(tài)機(jī)械性能比Kevlar 復(fù)合材料好得多；測(cè)得的這些性能都不低于碳纖維復(fù)合材料本身的80%。Kevlar 復(fù)合材料層在混編復(fù)合材料內(nèi)部的效果不如在外部?jī)?yōu)異。Marom 等人[22]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與Kevlar 纖維的混合，在沖擊能量方面產(chǎn)生了顯著的混合效應(yīng)，當(dāng)混合采用夾層形式時(shí)，Kevlar 纖維被置于外層。在該結(jié)構(gòu)中，用Kevlar 纖維取代50%的碳纖維，幾乎達(dá)到了Kevlar 母體復(fù)合材料的沖擊性能。此外，有跡象表明，如果斷裂是通過(guò)拉伸斷裂而不是剪切發(fā)生的，只要Kevlar 纖維被放置在外層，即使在更緊密的混編中也會(huì)觀察到積極的混合效應(yīng)。在這兩項(xiàng)研究中，分析了具有不同堆疊結(jié)構(gòu)的碳-芳綸混編復(fù)合材料的沖擊行為，具有明顯的正雜交效應(yīng)，并且對(duì)堆疊順序有很強(qiáng)的依賴性。

在1997 年Lee 等人[23]利用剪切變形理論研究了混合層壓復(fù)合板遭受低速?zèng)_擊的響應(yīng)。他們得出結(jié)論，根據(jù)堆疊順序，兩個(gè)具有相同組分比的混合復(fù)合板的分?jǐn)?shù)能量損失具有不同的值。碳纖維-Kevlar-碳纖維板具有低能量損失，Kevlar-碳纖維-Kevlar 板具有更高的能量損失；也就是板中心的位移隨混合層合板的堆疊順序而變化，混合層合板的彎曲行為主要取決于沖擊表面的材料特性。與單向?qū)訅喊逑啾龋郊y編織結(jié)構(gòu)能有效提高復(fù)合材料的抗沖擊性[24]，在層壓板中應(yīng)用廣泛，而碳/Kevlar 混合平紋編織層壓板抗沖擊性方面的研究較少。

Hazell[25]研究了由碳纖維增強(qiáng)材料和平紋Kevlar 29 織物組成的混合復(fù)合材料與鋼球形彈丸撞擊的彈道沖擊響應(yīng)。研究了混合復(fù)合材料的不同組合，其中Kevlar 層支持的層壓板正面的碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的能量吸收。Brown[26]還評(píng)估了碳纖維和Kevlar 纖維混編復(fù)合材料表現(xiàn)出最大的沖擊極限，以及更高的抗彈道性和更輕的重量。

在芳綸/碳纖維混編復(fù)合材料抗沖擊性能的研究中，有較多針對(duì)混編方式、成型工藝、沖擊的速度等對(duì)復(fù)合材料的沖擊吸收的能量、沖擊載荷以及沖擊損傷形貌等抗沖擊性能影響的研究，通過(guò)觀察沖擊后樣件的凹坑深度、沖擊外貌、內(nèi)部損傷面積來(lái)分析樣品的損傷破壞情況，對(duì)比何種條件下的樣品抗沖擊性能優(yōu)越。碳纖維/芳綸混編復(fù)合材料是利用碳纖維優(yōu)越的力學(xué)性能和芳綸纖維更好的抗沖擊材料性能，通過(guò)緊密混合組合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能。

4.2 芳綸與玻璃纖維混編復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

芳綸纖維/玻璃纖維混編復(fù)合材料可以結(jié)合兩種纖維的優(yōu)點(diǎn)。玻璃纖維提供了高剛度、高強(qiáng)度和承載能力，而芳綸纖維則使復(fù)合材料更具損傷容限和抗沖擊性[27]。增強(qiáng)織物中具有Kevlar/玻璃混編結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在比機(jī)械強(qiáng)度、彎曲和沖擊能量方面表現(xiàn)出更好的結(jié)果，混編復(fù)合材料的沖擊行為取決于大量設(shè)計(jì)參數(shù)，如層壓板厚度、表面處理和堆疊順序。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混編復(fù)合材料的能量吸收和損傷程度取決于層壓板厚度[28]?？紤]到損傷尺寸的影響，厚層壓板似乎比薄層壓板更不容易受到?jīng)_擊損傷。此外，據(jù)報(bào)道，混編復(fù)合材料的堆疊順序在決定復(fù)合材料的沖擊行為方面起著重要作用，每層的位置改變了混編復(fù)合材料的沖擊能量和能量吸收模式[29]。

Muhi 等人[30]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析研究了與一層 Kevlar 29 纖維混合的E 玻璃纖維復(fù)合材料層壓板在高速?zèng)_擊下的行為。研究得出以下結(jié)論：Kevlar 層的加入提高了復(fù)合層合板的韌性（強(qiáng)度和延展性），從而提高了抗穿透性。研究發(fā)現(xiàn) Kevlar 位置在控制吸收的能量方面起主導(dǎo)作用；在高速?zèng)_擊的情況下，結(jié)構(gòu)對(duì)這種載荷的響應(yīng)和彈頭幾何形狀非常敏感，使用鈍-半球形-錐形彈丸吸收的能量會(huì)減少；從靜態(tài)能量模型估計(jì)的殘余速度值高于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的殘余速度。這意味著目標(biāo)在動(dòng)態(tài)穿透期間消耗的能量高于準(zhǔn)靜態(tài)情況，即使兩種情況的失效模式相似，修正后的能量模型預(yù)測(cè)的剩余速度與半球形和錐形彈丸情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

Kinani 等人[31]研究了與Kevlar 纖維混合的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板的準(zhǔn)靜態(tài)穿透阻力。具有不同堆疊順序的混合復(fù)合材料經(jīng)受不同的鼻形撞擊器以表征混合效應(yīng)。

Bandaru 等人[32]研究了混編對(duì)復(fù)合裝甲彈道性能的影響，該裝甲由Kevlar、玻璃纖維和碳纖維的各種組合和堆疊順序增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)纖維的堆疊順序是影響彈道性能的主要因素。例如，后側(cè)采用Kevlar 纖維，外側(cè)采用玻璃纖維，前側(cè)采用碳纖維，就顯示出良好的防彈性能。

5 總結(jié)

文章簡(jiǎn)要回顧了芳綸纖維的各種混編復(fù)合材料，以及復(fù)合材料在各種沖擊條件下的行為。論述了層壓板的抗沖擊性，可廣義地定義為研究層壓板中異物沖擊造成的損傷，特別關(guān)注混編所起的作用。就是將兩種或兩種以上的纖維在同一基質(zhì)中混編，以提高抗沖擊性和相關(guān)損傷容限，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究影響損傷擴(kuò)展的幾個(gè)因素，了解了沖擊損傷的發(fā)展和相關(guān)的失效模式。以上的研究有助于提升芳綸混編復(fù)合材料在更廣領(lǐng)域的應(yīng)用，并逐漸應(yīng)用于航空航天、汽車、民用體育等更多領(lǐng)域。深入研究工業(yè)中使用的混編復(fù)合材料的沖擊相互作用過(guò)程，以開(kāi)發(fā)其在廣泛領(lǐng)域應(yīng)用。