基于玄武岩纤维的新型混杂布 的制备和性能研究 袁希贵 ,潘建伍 ,王 焰。 (1.南京航空航天大学土木工程系,江苏南京210016;2.东南大学混凝土及预应力混凝土结构 教育部重点实验室,江苏南京210018;3.北京特希达南京研发公司,江苏南京210028) 摘 要:介绍了由玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维等编织的新型单向层内混杂纤维布的制备工艺和方 法,并通过试验研究了它的极限拉伸强度、弹性模量、延性等规律,根据试验结果与应力一应变关系曲线, 分析了纤维混杂比例对单向层内混杂纤维布性能的影响。结果表明,与B/A、B/C混杂纤维增强材料相 比,B1A1的延性较好,抗拉强度偏低,而B2C1的抗拉强度较高,延性也较好。环氧树脂在复合材料中起 到应力传递和重分配作用,有效提高了纤维混杂复合材料的整体力学性能。 关键词:玄武岩;混杂纤维布;制备;力学性能 中图分类号:TU 599 文献标志码:A Research on Preparation and Properties of a New Hybrid Sheet based on Basalt Fiber YUAN Xigui 。PAN Jianwu ,WANG Yan。 (1.Civil Engineering Department,NanJing University of Aeronautics and Astronautics,NanJing 210016,China; 2.Key Laboratory of C&PC Structures of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210018,China; 3.Beijing Texida R&D Company in NanJing,NanJing 210028,China) Abstract:The preparation technology and methods of a new type of intermingled fiber hybrid sheet were introduced in the paper.The fiber hybrid sheets were weaved with basalt fiber,carbon fiber and Kevlar.The ultimate tensile strength,e lastic modulus and ductility that were studied by doing experiment,and the mixture ratio on the performance of unidirection al intermingled fiber hybrid sheet was analyzed by experimental results and the stress—strain relationship curve.It is found that compared B/A hybrid fiber reinforced material to B/C,BIAI has better ductility,but with low tensile strength.B2C1 has higher tensile strength and better ductility.Epoxy resin in the composite piayed the role of stress transfer and redistri bution,and effectively improved mechanical properties of composite materials in the overall fiber hybrid sheets. Key words:Basalt,Hybrid fiber sheet,Preparation,Mechanical properties 混杂复合纤维材料由2种或2种以上复合材料 杂,得到适用于土木工程结构加固用的单向混杂纤 构成,它通常用2种或2种以上纤维增强同一种基 维材料,然后与单向单一种类纤维材料进行对比研 体而制成,通过合理设计得到综合性能优异的纤维 究拉伸强度、弹性模量和延性,以得到延性优异、强 材料。混杂复合材料是在20世纪70年代初研究与 度较高、价格便宜的混杂复合纤维材料。 发展起来的,它不仅能降低成本,还能取长补短,产 生混杂效应,目前已被广泛应用于航空、航天、汽车 l 试验部分 和船舶等工业领域。但对于混杂复合纤维材料的研 1.1 原材料 究,大部分局限于层问混杂和夹层结构复合材 试验中所用到的主要原材料及来源见表1。 料_】 ],而层内混杂复合材料的研究相对较少 J。 表1原材料及来源 玄武岩纤维是我国自主研发的一种能自然降解 材料类别 材料名称 材料来源 的新型环保无机复合材料,除弹性模量略低外,具有 增强材料玄武岩纤维粗纱 浙江石金玄武岩纤维有限公司 良好的热绝缘性、隔音性、抗腐蚀性、无毒性、耐久性 碳纤维粗纱 北京特希达技术研发有限公司 和力学性能,延性好且价格比较便宜_7 ;碳纤维的 芳纶纤维粗纱 上海金意电工绝缘材料有限公司 抗拉强度和弹性模量高,但其延伸率较低且市场价 树脂 /B 上海三悠树脂有限公司 格较高;而芳纶纤维具有优良的抗冲击性和抗拉强 度,但价格较高。在保证应有的承载力的前提下,增 厂家提供的粗纱材料性能参数(参考数据)分别 强加固构件的延性,降低加固成本,可以将不同强 为:1)玄武岩纤维(B):密度2.8 g/cm。,拉伸强度 度、弹性模量、延伸率的纤维混杂使用,以发挥各种 2 100 MPa,弹性模量91 GPa;2)碳纤维(c):密度 纤维的优势,实现优势互补,扬长避短l1 ]。本试验 1.8 g/cm。,拉伸强度3 400 MPa,弹性模量230 重点研究将不同种类纤维混杂复合材料进行层内混 GPa;3)芳纶纤维(A):密度1.44 g/cm。,拉伸强度 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 2011年 第7期 ・105・ 46 MPa,弹性模量2.3 GPa。按照体积比为1:1、 2:l织成单纤维混杂纤维布。层内混杂纤维比例说 明:B1C1为1束玄武岩纤维和1束碳纤维 (B1:C1);B2C1为2束玄武岩纤维和1束碳纤维 (B2:C1);其他试件类同。层内混杂纤维布的理论 厚度及混杂比例如表2所示。纤维布加工制作在南 京海拓复合材料有限责任公司完成。 表2层内混杂纤维布的理论厚度及混杂比例 图2试验装置引伸计和CMT51o5电子万能材料试验机 程中被试验机夹头在夹紧时造成试件端部的预损 伤,降低拉伸强度,在试验件两端采用A、B胶粘贴 厚度丁为1.5 mm硬铝板加强片,长度按试件的夹 头尺寸确定,其端部倒角为15。。实践证明,小倒角 可以减小试验件端部附近的剪应力和垂直于层片的 剥离应力。 1.2制备工艺 首先对纤维布进行预处理,将环氧树脂浸渍A、 B胶(按A:B一2:1配制),加入固化剂。将白玻 璃平铺在桌面上,放置一块纱布,均匀刷胶,平放纤 维布,又均匀刷胶一次,然后再铺放纱布,把布刮平, 使胶充分浸渍,最后再铺放一块白玻璃,加压重物大 约4O kg,固化后脱模,在万能铣床上加工成标准试 样,如图1所示。浸渍环氧树脂纤维布的试件编号 2.1 单一纤维和混杂纤维环氧树脂片材 图3试验件的形状 2试验结果及分析 分别为A、B、c、BIC1、B2C1、B1A1、B2A1,每样数 量均为3个,共计21个。 单一纤维片材破坏 形态有束间劈裂、中间断 裂等现象。单一玄武岩 维试件出现跨中拉断, 件出现跨中脆性拉断,目 ——舅 黑 粤— I 黧囊 ■■ 舅——峨! 一 一 图1试件制作不意图 束间开裂;单一碳纤维试 疆 潮———● 豳 断口不齐;单一芳纶纤维 试件出现跨中拉 4 0C 图4试件试验破坏照片 ABCBBBB }{ 一}} A A C C 3 2 2 2 断,且断口较齐;其 ;蔷 他混杂纤维试件的量;盏 破坏现象为单一纤 1 5C 维试件破坏现象的 复合。图4所示为几个试件破坏照 片。 1.3试件及试验方法 材料的力学性能试验在金陵科技学院力学实验 室进行,试验仪器是深圳新三思材料检测有限公司 生产的CMT5105电子万能材料试验机(具有准确 5C D0 0 0 0l0 0.020 0.030 0.040 应变 的加载速率和测力范围),最大负荷为100 kN,加载 速率为2 mm/min,如图2所示。试件中间位置安 图5应力应变曲线 由图5可以看出,拉伸过程中每个试件都出现 弹性阶段。除试件A3、C3的应变较小外,其余试件 在达到峰值应力后产生较大的应变。随后应力逐渐 减小,而应变继续增大,达到最大值后试件被破坏, 表明材料具有较好的延性。因此在碳纤维、芳纶纤 装引伸计测量延伸率,连续加载直至试件破坏。 单向拉伸试件参考标准GB/T3354~1999制 作,试件形状及设计几何尺寸如图3所示,试件形状 采用平板形式,试件长度L为230 mm,平均宽度w 为16 mm,净距130 mm。每个试件包含4个加强 铝片,长度L。为50 ITlm。为了避免试件在试验过 ・维中掺人一定比例的玄武岩纤维,可以较大程度地 提高纤维混杂复合材料的延性。 106・ 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 2011年 第7期 2.2拉伸性能分析(见表3) 表3 各混杂纤维片材的拉伸数据统计 注:由于试件的加工与制作、试验手工操作以及浸渍环氧树脂的不均匀,导致试件B1A1—2(*)、B1C1—1(*)的延伸率出现误差。 1)3种单一纤维材料的弹性模量的对比。弹 性模量的高低顺序依次为c—A—B,而进行层内混 杂后,材料的弹性模量发生较大变化,由于}昆杂比的 了整体的延性性能。 单向纤维混杂复合材料为层内混杂,纤维为平 行排列,由混杂复合材料的混合定律方程…],可计 不同,B1C1比B2C1的弹性模量约高达11.O9%, B1A1比B2A1的弹性模量约高达7.30 。鉴于材 料的不同,混杂后的材料特性发生较大变化,B1C1 比B2A1的弹性模量约提高34.36 ,表明不同的 纤维种类与混杂比例对材料的弹性模量有较大的影 响。 算混杂复合材料的纵向拉伸弹性模量E 和纵向拉 伸强度 : V ,】q-Vi4-…+ 2 , 一 , :== , , ,…, 一 +…+ (1) (2) (3) 2)纤维材料的拉伸强度的对比。碳纤维最高, 玄武岩纤维其次,芳纶纤维最低。将材料按比例混 杂后,B1C1较B2C1的拉伸强度约提高了12.29 , Ec—E, 一-4--Ef2 O'f1 1 Jr-072 2+…-}-as. 式中, 为纤维混杂复合材料的总体积;V , 。, …B2A1比B1A1的拉伸强度约提高了l1.88%。说 明B1C1、B2C1、B2A1较单一玄武岩纤维材料的拉 伸强度高,由于试验测出的芳纶纤维拉伸强度低,导 致B1A1的拉伸强度比单一玄武岩纤维材料的拉伸 强度略低。 3)纤维材料延伸率的对比。3种单一纤维材 , 为各纤维体积分数; , ,…, 为纤维 的体积;E,1,E,2,…,E 为纤维的弹性模量;O'f , ,,,…, 为纤维的拉伸强度。 由表4可以看出,试验值与计算值之间的误差 约为18.98 ,分析原因如下。 1)由于混杂纤维的离散性较大,环氧树脂在纤 维布内分布不均匀,导致个别试验数据相差很大。 2)原丝无捻粗纱强度为平均强度,实际每根纤 维细纱强度不同,存在较大差异,导致生产厂方提供 料的延伸率的高低顺序依次为B—A—C。经过混 杂后,材料延性发生较大变化:B2C1比B1C1的强 度低,但延伸率却有所提高,约高达1.0 9/6;B1A1比 B2A1的延伸率约高达0.82%。而B/C比B/A的 的纤维强度值与试验值的偏差较大。而实际试验 时,出现手工操作的失误,也会给试验数据带来误 荠。 延伸率略低。说明掺人玄武岩纤维后有效地抑制了 延性较差的材料过早断裂,延长了破坏的时间,提高 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 2011年 第7期 ・107・ 3)由于混杂复合材料的t昆合定律方程带来误 差导致计算结果出现较大误差。 由于厂家提供纤维材仅供参考,所以表4中以 试验测得A、B、C的拉伸强度和弹性模量为标准代 3)采用预应力混杂布来加固工程结构,可以较 大程度地延长结构的使用寿命,提高经济效益。今 后尽量降低纤维混杂材料的离散性,提高混杂复合 材料(如片材、筋材和板材)的整体力学性能。针对 结构构件的破坏形式基本为疲劳破坏,将进一步研 究玄武岩纤维新型混杂复合材料的疲劳性能。 入式2、式3,计算得到混杂纤维片材的标准值。 表4静载力学拉伸试验结果 试件 类拉伸性能 弹性模量/MPa 试验值 理论计算值 误差 102 223.8 95 931.74 94 764.86 91 663.30 拉伸强度/MPa 型 试验值 理论计算值 误差 1 977.53 1 99o.U 参考文献 [1]余顺海,唐羽章.混杂纤维复合材料[M].长沙:国防科 技大学出版社,1987. B1A1 2O16.O4 B2A1 2287.9O 1.91 13.O2 6.16 3.27’ B1(] 249n 20 I翌C1 2184.16 2 89n 63 -16.08 144 362.O1 157 506.01 一 1O 2 598.67 一18.98 128 349.17 132 547.31 一3.27 [2]张大兴,张佐光.CF/GF多向混杂纤维复合材料拉伸特 性研究[J].新型炭材料,1997,12(2):29—35. 3 纤维材料实用性及使用经济性分析 针对目前市场上各种纤维材料的价格不一:玄 武岩纤维无捻粗纱约为25元/kg,碳纤维无捻粗纱 约为180~300元/kg,芳纶纤维无捻粗纱约为40 元/kg。采用优质价廉的纤维材料来加固结构,可 较大程度地降低成本,提高经济效益。 由表3可知,采用比例1:1、2:1的B/C、B/A 混杂后材料的强度比玄武岩纤维的高得多,B2C1比 [3]Jung Ju lee.Evaluation and analysis of interlaminar frac ture toughness of bead filled matrix hybrid composite maleri— als using or thotropic fracture mechanics[J].Composite Structures,1995,32:477—489. [4]Hwang S F,Shen B C.Opening—mode interlaminar fracture toughness of interply hybrid composite materials [J].Composites Science and Technology,1999,59:1861— 1869. [5]曾庆敦,黄小清,林雪慧.层内混杂复合材料应力集中问 题的研究[J].应用数学和力学,2001,22(2):135—139. B1C1的成本约降低了25.1 ,强度降低约 12.29 ,延性却约提高了1.0%;B2A1比BIA1的 成本约降低了7.7 ,且强度提高约11.88 ,延性 1-6]张小冬,王耀杰,邓宗才.混杂纤维片材拉伸性能研究 [J].国防交通工程与技术,2010(1):22—24. 1-7]郭旗,潘建伍,吴刚.冻融循环及盐溶液作用下玄武岩纤 维布耐久性试验研究[J].工业建筑,2010,40(4):17~21. [8]杨勇新,杨萌,赵颜,等.玄武岩纤维布的耐久性试验研 却降低约0.74 。玄武岩纤维的延性好,但强度不 高,而t昆杂后的纤维材料的强度较高,延性较好,更 能满足现代工程加固的需要。 从本试验结果可以得出,采用玄武岩纤维和碳 纤维、芳纶纤维混杂后,B2C1、BIA1较为理想,可以 究[J].工业建筑,2007,37(6):11—13. [9]谢尔盖,李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维 布料,2003,20(3):17—20. [1o]邓宗才,李建辉.混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性 能试验及理论研究EJ].工程力学,2009,26(2):115-123. [11]喻林,蒋林华.混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能 研究[J].建筑材料学报,2006,9(3):274—278. E12]杨建中.?昆杂纤维复合材料的匹配及其在混凝土结构 加固中的应用研究fD].广东:汕头大学,2001. 提高纤维混杂复合材料的性价比,达到更好的加固 效果,产生更大的经济效益。因此玄武岩纤维混杂 材料可以用来对工程结构进行加固,并且达到很好 的加固效果,较大程度地节约资源。 4 结语 1)本文阐述了新型玄武岩纤维层内混杂纤维 布的制作工艺和方法,为今后加固用新型混杂纤维 1-13 ̄宋焕成,张佐光.混杂纤维复合材料[M].北京:北京航 空航天大学出版社,1989. *东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 开放课题资助 布的制备提供较好的参考依据。 2)B/C、B/A为2:1和1:1的混杂复合材料 作者简介:袁希贵(1977一),男,硕士研究生,主要从事纤维增 较纯碳纤维、芳纶纤维材料的断裂伸长率有所提高, 抗拉强度较B也有较大提高。B/A与B/C}昆杂纤 强复合材料在工程结构加固中的应用方面的研 究。 维增强材料相比,BIAI的延性较好,但抗拉强度偏 低,而B2C1的抗拉强度高,延性也较好,说明在玄 武岩纤维中掺人碳纤维,可以制备高延性、高强度的 纤维混杂复合材料。 收稿Et期:2011年3月2日 责任编辑王亚昆 ・108・ 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 2011年 第7期