碳纤维织物在室内空间设计的运用

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摘要：为了将现代碳纤维织物应用于室内空间设计，对比分析了编织角度和纤维含量对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料拉伸强度、拉伸模量和破坏模式的影响。结果表明，单2试样的最内层和最外层角度的差值高于单1和单3试样，造成纤维体积分数明显减小，拉伸强度明显降低；二维2试样的最内层编织角相较于二维1和二维3分别增加5º和3º，最内层编织角都相比增加了3º，纤维体积分数分别减小3.02%和2.87%，拉伸强度分别减小30.22MPa和7.7MPa；编织角和纤维含量都会对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的拉伸强度和拉伸模量造成显著影响。相较于单向编织对称铺层复合材料，二维编织对称铺层复合材料中的裂纹或者裂缝变得杂乱无章，但破坏最严重的区域都出现在外侧，而1/2宽度处的破坏相对较轻。

关键词：碳纤维，室内空间设计，编织角度，纤维含量，拉伸性能

1试验部分

以台丽公司的T300碳纤维（拉伸强度4000MPa、密度1.80g/cm3）、JC-02型环氧树脂（拉伸强度66MPa、密度1.13g/cm3）、JC-02B型改性酸酐（粘度45MPa.s）为原料，采用真空辅助树脂传递模塑法制备了碳纤维树脂基复合材料（编织物浸润后置于烘箱中进行88℃/2h+108℃/2h+128℃/2h的固化处理并空冷至室温），包括单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料，前者的铺层数为16，后者的铺层数为8。根据GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，在美国MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机中对碳纤维增强树脂基复合材料的拉伸性能测试，试样尺寸与宏观形貌如图1所示。在加工试样时需要注意保持各组试样纹路相同，并在头端和尾端加贴长50mm、厚0.5mm的硬铝加强片，拉伸速率为3mm/min，测试温度为室温。

2结果及讨论

对单向编织对称铺层复合材料的拉伸性能进行测试，结果见表1，其中，单1、单2和单3试样分别对应于复合材料左侧、中间和右侧的试样。可见，在相同的宽度和厚度条件下，编织角度的不同会造成纤维体积分数的差异以及拉伸强度上的不同；单1试样相对单3试样的编织角降低了1º，反映在拉伸强度上则表现为拉伸强度提高1.65MPa，由于二者的纤维体积分数和编织角相差较小，造成强度差异的原因可能与固化工艺有关[3]。单2试样的最内层和最外层角度的差值高于单1和单3试样，造成纤维体积分数明显减小，拉伸强度明显降低，这主要是因为单向编织对称铺层复合材料中纤维体积分数是影响材料拉伸强度的最主要因素[4]。对二维编织对称铺层复合材料的拉伸性能进行测试，结果见表2，其中，二维1、二维2和二维3试样分别对应于复合材料左侧、中间和右侧的试样。可见，由于编织角的不同，三种复合材料的纤维体积分数和拉伸强度存在明显差异，二维1相较于二维3的最内角度降低了2º，在纤维体积分数略高的前提下，拉伸强度提高了22.52MPa，由此可见，二维编织对称铺层复合材料中编织角和纤维含量都会对复合材料的拉伸性能产生显著影响，其中，编织角的减小会使得纤维束偏向轴向排列而增强拉伸强度，而纤维含量最高也会有助于提高拉伸强度。二维2试样的最内层编织角相较于二维1和二维3分别增加5º和3º，最内层编织角都相比增加了3º，纤维体积分数分别减小3.02%和2.87%，拉伸强度分别减小30.22MPa和7.7MPa，这主要是因为二维2在编织角和纤维含量的共同作用下造成二维编织对称铺层复合材料拉伸性能的减小[5]。对单向编织对称铺层复合材料的拉伸模量进行统计分析，结果如图2所示。单1、单2和单3试样的拉伸模量分别为6.23GPa、5.49GPa和6.06GPa，可见单1试样的拉伸模量最高，其次为单3试样，而单2试样的拉伸模量最小。单1试样和单2试样的拉伸模量相差最大，差值为0.74GPa，表明单向编织对称铺层复合材料的左侧、中间和右侧试样的拉伸模量离散性较小，但是纤维体积分数和编织角都会对拉伸模量造成影响[6]，且纤维体积分数的影响占主要地位，其次为编织角造成的影响。对二维编织对称铺层复合材料的拉伸模量进行统计分析，结果如图3所示。二维1、二维2和二维3试样的拉伸模量分别为5.31GPa、3.99GPa和5.06GPa，可见二维2试样的拉伸模量明显小于二维1和二维3试样，这主要是因为二维2试样的纤维体积分数明显小于其它2组试样，且编织角相较于二维1和二维3试样更大，而较大的编织角会造成纤维偏离轴向排列更加明显，从而减小了二维编织对称铺层复合材料在轴向的承载力[7]。对纤维体积分数相近的单2和二维2试样的拉伸强度和拉伸模量进行对比分析，可见，单向2试样的拉伸强度要高于二维2试样，且单向2试样的拉伸模量要高于二维2试样1.5GPa。这主要是因为单2试样的编织角相较于二维2试样减小了2º，且纤维体积分数增加了约0.7%，从而造成复合材料在拉伸强度升高的同时提高了拉伸模量。对单2和二维2试样的拉伸破坏处的宏观形貌进行观察，结果如图4所示，其中左侧为单2试样，右侧为二维2试样。宏观形貌中可见，单2试样的裂纹沿着纤维束排列方向延伸，最外侧纤维层向外侧翘起，而二维2试样在破坏处发生了一定程度缩颈，纤维层由于相互交织作用并没有发生翘起，但是出现了纤维束整体拔出、树脂脱落的现象。对单2试样的外侧、1/4宽度处和1/2宽度处的表面形貌进行观察，其中从上至下依次为第1层至第16层。可见，复合材料中同时存在层内裂纹和层间裂纹，其中，层内裂纹沿着厚度方向延伸，且在相邻纤维层中不会发生扩展，裂纹主要存在于同一纤维束内部或者纤维间的树脂基体中；层间裂纹则在纤维层间延伸，且裂纹的扩展方向几乎与纤维平行排列。对二维2试样的外侧、1/4宽度处和1/2宽度处的表面形貌进行观察，其中从上至下依次为第1层至第16层。相较于单向编织对称铺层复合材料，二维编织对称铺层复合材料中的裂纹或者裂缝变得杂乱无章，裂纹延伸方向垂直于受力方向并在纤维层间扩展；层间裂纹则由于二维编织中纤维倾斜排列的特性而呈现切斜走向[8-9]。无论是单向编织对称铺层复合材料还是二维编织对称铺层复合材料，破坏最严重的区域都出现外侧，而1/2宽度处的破坏相对较轻，这主要是由于外侧纤维层在受外加载荷作用下会首先产生破坏并产生裂纹[10-11]，而随着外加载荷的持续加载，裂纹逐渐扩展至内部，并当载荷超过复合材料承载能力时发生断裂，但是最先产生裂纹的区域基本都处于复合材料编织物中编织角最小且存在纤维头端的第一层。

（1）单1试样相对单3试样的编织角降低了1º，反映在拉伸强度上则表现为拉伸强度提高1.65MPa；单2试样的最内层和最外层角度的差值高于单1和单3试样，造成纤维体积分数明显减小，拉伸强度明显降低。（2）二维2试样的最内层编织角相较于二维1和二维3分别增加5º和3º，最内层编织角都相比增加了3º，纤维体积分数分别减小3.02%和2.87%，拉伸强度分别减小30.22MPa和7.7MPa。（3）单1、单2和单3试样的拉伸模量分别为6.23GPa、5.49GPa和6.06GPa，二维1、二维2和二维3试样的拉伸模量分别为5.31GPa、3.99GPa和5.06GPa，编织角和纤维含量都会对复合材料的拉伸强度和拉伸模量造成显著影响。（4）相较于单向编织对称铺层复合材料，二维编织对称铺层复合材料中的裂纹或者裂缝变得杂乱无章，裂纹延伸方向垂直于受力方向并在纤维层间扩展，层间裂纹则由于二维编织中纤维倾斜排列的特性而呈现切斜走向。无论是单向编织对称铺层复合材料还是二维编织对称铺层复合材料，破坏最严重的区域都出现于外侧，而1/2宽度处的破坏相对较轻。

作者:董静 单位:上海东海职业技术学院