混杂FRP复合材料单轴拉伸性能研究
1 引言
两种或两种以上纤维增强一种或多种树脂基体的复合材料为混杂纤维复合材料，它既能充分发挥不同纤维的优势、扬长避短、优化FRP的综合力学性能（或某一性能），又能显著降低成本[1~4]。因此，它正在越来越广泛的取代单一FRP，应用于航天航空、船舶与汽车制造、土木工程等领域。
当碳、玻璃与芳纶或玄武岩三种纤维混杂时，高强碳纤维能够提高承载能力，高延伸率玻璃纤维能够改善延性，而芳纶、玄武岩纤维弹性模量、极限延伸率介于碳纤维、玻璃纤维两者之间，可使碳纤维断裂时卸载应力向玻璃纤维平稳转移。本文试验研究了芳纶或玄武岩、玻璃纤维与碳纤维混杂FRP复合材料的单轴拉伸性能，探讨了纤维种类、碳纤维相对体积含量、铺层方式等混杂参数对混杂效应的影响。结果表明，通过合理设计，碳/芳纶/玻璃层间混杂复合材料的混杂效应达到优。
2 试验研究
2.1 材料性能
本试验所采用的纤维布性能见表1。层内混杂纤维布由碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维以体积比1:2.5:1 编制而成，如图1所示。
2.2 试件设计及试验方法[-page-]
本试验设计的试件尺寸为：纤维布宽度50mm,净距120mm，锚固长度为120mm；锚具为120×70×6mm的长方体刻槽铁板，每个试件包含4个锚具，以确保试件对中。HFRP复合材料单轴拉伸试件的施工工艺为先在两个锚具上涂刷粘结树脂胶,粘贴一层纤维布,用辊子碾压一遍，以确保粘结密实，再涂刷粘结树脂胶，如此反复进行粘贴。后，在两端部分别再粘贴一个锚具。试件的铺层形式及参数详见表2，表中2H、3H代表2、3层的层内混杂纤维布。
拉伸试验采用美国MTS810材料实验机，加载机制为位移控制，速度为0.2μm/min。试验采集的数据包括时间、承载力、荷载-变形曲线，所有数据使用计算机数采系统采集。
3 结果与讨论
3.1 破坏形态
FRP复合材料拉伸试件随纤维种类、碳纤维相对体积含量和铺层方式的不同,表现出不同的单轴拉伸性能，在试验中破坏模式分为三种:①完全脆性断裂模式；②“扫帚”形层间破坏模式；③斜裂缝破坏模式。试件2C、3C破坏时，碳纤维突然断裂，断裂的碳纤维释放出来的巨大能量将两侧碳纤维扯成碎片向四周飞溅,完全脆性断裂，如图2(a)所示。试件C/G、2C/G、A/C/G、X/C/G、C/A/G、C/X/G破坏时，碳纤维先破坏，终延伸好的玻璃纤维逐渐被拔出而导致试件卸载，外观如“扫帚”形状，如图2(b)、(c)所示，当碳纤维在外层时，试件伴有碳纤维层断裂。试件3G破坏时，玻璃纤维被逐渐拔出，承载力逐渐降低导致试件失效。试件2H、3H破坏时，试件先在中间部位产生斜裂缝，随着荷载的增加，斜裂缝逐渐扩展，终试件由一条主斜裂缝贯穿至整个横截面而破坏，如图2(d)所示。
3.2 试验结果及讨论[-page-]
HFRP复合材料单轴拉伸试验结果见表3。荷载-变形曲线如图3所示。
3.2.1 拉伸弹性模量
由表3可知，与单一碳纤维复合材料3C相比，层间混杂FRP复合材料试件A/C/G、X/C/G、C/A/G和C/X/G的拉伸弹性模量分别降低了52%、61%、50%和61%。结果表明，①在碳纤维相对体积含量基本相同时，碳／芳纶／玻璃纤维混杂复合材料的拉伸弹性模量大于碳／玄武岩／玻璃纤维混杂复合材料；②碳纤维铺层的位置对HFRP复合材料的拉伸弹性模量影响不大。
HFRP复合材料的拉伸弹性模量与碳纤维相对体积含量Vc的关系如图4所示。由图4可知，拉伸弹性模量随碳纤维相对体积含量的增大而增加，且大致处于两单一纤维复合材料弹性模量的连线上。HFRP复合材料的拉伸弹性模量EHY可估算为[5]：
其中，E为弹性模量；VI、VII、VIII分别为纤维Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的相对体积含量；Vf为纤维总体积含量；Vm表示树脂基体体积含量。
由式(1)计算的HFRP复合材料的拉伸弹性模量见表4，由表4可知，理论值与实测值吻合良好，表明HFRP复合材料拉伸弹性模量基本符合混合定律。
3.2.2 拉伸强度
拉伸强度与碳纤维相对体积含量Vc的关系如图5所示。由图5可知，HFRP复合材料的拉伸强度均在两种单一玻璃纤维、碳纤维复合材料强度连线的下方，并先随碳纤维相对体积含量的增加而降低，到一个临界值时拉伸强度低，而后又随着碳纤维相对体积含量的增加而增加。由于碳纤维断裂应变εc小，当Vc较小时，外加荷载集中在此弱小的组分上而迅速产生破坏,破坏后碳纤维占据无效体积，因而在一定范围内，HFRP复合材料的拉伸强度随碳纤维含量的增加而降低，达到临界体积含量时，拉伸强度也达到低点。此后继续增加碳纤维含量，荷载主要由碳纤维承担，芳纶、玄武岩、玻璃纤维作用减弱，HFRP复合材料拉伸强度又随碳纤维含量的增加而增大。[-page-]
由图5也可看出，HFRP复合材料的拉伸强度明显不符合混合定律关系，而且在碳纤维相对体积含量相同条件下，改变铺层方式，混杂复合材料的单轴拉伸强度会发生变化，即随着碳纤维铺层从中间移到芳纶（玄武岩）纤维外侧时，HFRP复合材料的单轴拉伸强度提高。由表3可知，试件C/A/G的拉伸强度相比试件A/C/G提高了2％，而试件C/X/G的拉伸强度相比试件X/C/G提高了17%。这是由于芳纶、玄武岩纤维的弹模显著高于玻璃纤维，在拉应力作用下，芳纶、玄武岩纤维对脆性碳纤维裂纹扩展的抑制效果优于玻璃纤维。
由于HFRP复合材料的拉伸强度不符合混合定律，它在拉应力作用下发生多级破坏，根据等强度理论可以计算HFRP复合材料中低延性碳纤维临界体积含量[6,7]。
HFRP一级破坏强度（即碳纤维断裂时）：
由于树脂基体断裂应变εm ＜εG，玻璃纤维断裂时的大应力为二级破坏强度：
当复合材料拉伸强度达到低时，一级拉伸强度等于二级拉伸强度，即σt1＝σt2。当只有碳纤维、玻璃纤维两种纤维混杂时：
由式(5)计算得Vc临＝16.87%。
当碳、玻璃纤维与其他一种纤维II三种纤维混杂时：
由式(6)、(7)计算得：对于碳/芳纶/玻璃纤维混杂FRP复合材料，Vc临＝11％；对于碳/玄武岩/玻璃纤维混杂FRP复合材料，Vc临＝11.5％。
3.2.3 断裂延伸率
由表3可知，试件A/C/G的断裂延伸率相比试件C/A/G提高了27%，而试件X/C/G的断裂延伸率相比试件C/X/G提高了3%。结果表明,在相同碳纤维相对体积含量情况下，当碳纤维铺层从外侧移到中间时，HFRP复合材料断裂延伸率增大。这是由于碳纤维铺层在中间时，碳纤维断裂时卸下的应力由芳纶或玄武岩、玻璃纤维共同承担，避免了由单一纤维承担而造成的严重损伤，从而延缓了破坏的发生，使断裂延伸率提高。
HFRP复合材料的断裂延伸率与碳纤维相对体积含量的关系如图6所示。由图6可知，混杂复合材料的断裂延伸率均高于单一碳纤维复合材料的延伸率，且随着碳纤维相对体积含量的增加，断裂延伸率逐渐减小。
碳/芳纶/玻璃层内混杂纤维复合材料2H、3H的断裂延伸率均低于单一碳纤维复合材料，故未列入图6中。这可能是由于在拉伸过程中,碳纤维断裂时释放出的能量使周围纤维受到损伤，同时纤维层之间较早出现剥离，导致HFRP复合材料过早破坏，从而使HFRP复合材料的断裂延性率降低。这也说明碳/芳纶/玻璃层内混杂纤维复合材料的断裂延伸率有待于进一步研究。[-page-]
3.3 混杂效应系数及其应用
混杂效应是指某些性能偏离混合定律计算结果的现象，是造成HFRP复合材料优异综合性能的根本原因。混杂效应大小一般用混杂效应系数Re来衡量，Re为低延性碳纤维断裂伸长的比值[8]：
其中，εHY为HFRP复合材料的断裂延伸率；εc为低延性碳纤维复合材料的断裂延伸率。
由式（8）计算的混杂效应系数列于表4。由表4可知，除碳/芳纶/玻璃层内混杂纤维复合材料2H、3H外，HFRP复合材料均表现出良好的混杂效应。试件A/C/G、X/C/G、C/A/G、C/X/G的混杂效应系数相比试件2CG分别提高了90%、33%、-14％和21%,表明除试件C/A/G之外,碳/芳纶(玄武岩)/玻璃三种纤维的混杂效应显著好于碳/玻璃两种纤维混杂。这也说明，芳纶或玄武岩纤维与碳、玻璃纤维混杂时，芳纶、玄武岩纤维可以使碳纤维断裂时卸载的应力向玻璃纤维平稳转移。同时，碳/芳纶/玻璃纤维层间混杂复合材料A/C/G的混杂效应系数大，达到0.647，混杂效应优。
在低延性碳纤维断裂之前，HFRP复合材料共同承受应力。当应变达到低延性碳纤维的断裂应变时，碳纤维先断裂，此时的理论拉伸强度(即一级破坏强度)σHY1为：
其中，S为考虑到纤维在复合材料中与基体作用的影响而引入的修正系数，本文取为0.75。
当低延性碳纤维断裂后荷载由高断裂延伸率纤维承受，直至整个试样破坏,这时破坏强度(即二级破坏强度)σHY2为：
计算HFRP复合材料拉伸强度时，当Vc＜Vc临时，采用式(10)；当Vc≥Vc临时，采用式(9)。
由式(9)、(10)计算的HFRP复合材料拉伸强度列于表4。由表4可知，理论计算值与实测值基本吻合。
4 结论
通过本文的试验和理论分析，可以得出以下结论：
(1)单一碳纤维复合材料破坏时，碳纤维被扯成碎片向四周飞溅，表现为完全的脆性破坏；
(2)HFRP复合材料的拉伸弹性模量基本上符合混合定律，且随碳纤维相对体积含量的增大而增加；
(3)HFRP复合材料的拉伸强度明显偏离混合定律关系。本文给出的拉伸强度理论分析法可用于计算HFRP复合材料的拉伸强度，理论值与实测值基本吻合；
(4)层间混杂复合材料均表现出良好的混杂效应；
(5)碳/芳纶(玄武岩)/玻璃三种纤维层间混杂复合材料的混杂效应优于碳/玻璃两种纤维层间混杂复合材料,当碳纤维铺层在中间时，碳/芳纶/玻璃纤维层间混杂复合材料的混杂效应系数达到0.647，混杂效应优。
参考文献
[1] 邓宗才，李建辉．混杂FRP复合材料及其加固混凝土结构性能[J]．玻璃钢/复合材料,2006,(4):50-54.
[2] WU Zhi-shen，NIU He-dong. Recent developments in FRP strength-ening techniques[A]．The 3th China FRP Academic Thesis Album[C]，Nanjing：Industrial construction，2004:1-8.
[3] 纪梓斌．混杂纤维复合材料的合理匹配及其在混凝土结构加固中的应用研究[D]．汕头：汕头大学，2003.
[4] 曾金芳，乔生儒,丘哲明等.F-12/CF混杂复合材料纵向拉伸性能研究[J].固体火箭技术,2004,27(1):60-63.
[5] 陈汝训．混杂纤维复合材料受拉构件的优混杂比研究[J].固体火箭技术，2005，28(3):219-221.
[6] MANDERS P W，BANER M G. The strength of hybrid glass/carbon fibre composites，Part 1：Failure strain enhancement and failure mode[J]．Journal of Materials Science，1981，(16):2233-2245.
[7] MANDERS P W，BANER M G. The strength of hybrid glass/carbon fibre composites，Part 2：A statistical model[J]．Journal of Materi-als Science，1981，(16):2246-2256.
[8] 宋焕成，张佐光．混杂复合材料[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1989.
