隨著科學技術的發展，對材料性能的要求日益提高，單質材料很難滿足性能的綜合要求和高指標要求。而復合材料與單質復合材料的性能相比，性能更加優越。近年來，復合材料得到了迅猛發展，廣泛應用于航空航天工業和汽車工業領域。
 

      復合材料一般由增強體和基體組成，經過設計，通過對原材料的選擇、各組分分布的設計和工藝條件的保證等，使原組分材料優點互補，呈現出優越的綜合性能，如高強度、高模量和低密度等。纖維增強復合材料是由高強度高模量纖維、樹脂基體以及纖維和樹脂間的界面構成。傳統的纖維增強復合材料的成本較高，層壓復合材料因為缺少Z向的紗線，在厚度方向的力學性能較差。三維機織復合材料的出現克服了傳統層壓復合材料容易分層的缺陷，而且預制件是一塊整體，具有近似網狀的結構，減少了工藝流程，降低了成本，具有優良的抗沖擊性能^{[1, 2]}。
 

       近年來，對混雜結構增強復合材料的研究得到了發展。因為混雜結構，即在同一塊基體中，含有多種增強體，能滿足設計者特別的要求。混雜的主要目的：獲得較高性能的復合材料，既保持材料原有的優點，又能克服本身的缺陷；降低成本，使用比較廉價的材料作為復合材料的組分，但不影響性能。
 

      玄武巖連續纖維具有優良的物理機械性能，拉伸強度、彈性模量及斷裂伸長都比較大，在一些應用領域內完全可以代替玻璃纖維、碳纖維等充當復合材料的增強體，而且性價比非常優越^[7-9]。玄武巖連續纖維的使用范圍特別廣，還具有很強的耐酸、耐堿性能，高電絕緣性能及對電磁波的高透過性，隔熱、隔音特性，防電磁輻射的特性，過濾凈化特性等性能，因而得到廣泛的應用。
 

       芳綸纖維具有超高強度、高模量、耐高溫、耐酸耐堿、質量輕等優良性能，芳綸可用作先進復合材料，用于航空航天領域、艦船、汽車工業中；用作防彈制品，可以用來制作硬質防彈裝甲板、軟質防彈背心；可以用于基礎設施和建材、芳綸增強混凝土、芳綸增強木材、傳送帶、纜繩、特種防護服裝、體育運動器材、電子設備等方面^[10]。

本文主要制作了三維正交混雜機織（芳綸/玄武巖纖維）復合材料，通過比較兩種混雜結構復合材料拉伸和剪切性能，探討了混雜模式對混雜復合材料拉伸和剪切性能的影響。
 

       所用的兩種纖維是玄武巖纖維和芳綸纖維 (Kevlar 129)，其中玄武巖紗線密度為670tex；芳綸紗線密度為314tex。樹脂基體為環氧618和固化劑5510。
 

        三維織造工藝在三維正交織機上完成。在本實驗中，在三維正交織機上織造了兩種不同的織物，分別是層間混雜結構和層內混雜結構。所謂的層間混雜結構，就是與傳統混雜結構相似，在經向和緯向上包含一層玄武巖紗線和一層芳綸紗線；層內混雜結構就是在同一層中玄武巖紗線和芳綸紗線交替排列。層內混雜結構的預制件比較復雜，需要雙向引緯，因此，在經向和緯向上，玄武巖紗線和芳綸交替排列。預制件的經緯密度為5根/cm，六層經紗，七層緯紗。三維正交織物結構如圖1所示。
                                        

圖1 三維正交織物結構

       采用真空輔助樹脂轉移成型方法固化制作復合材料。在壓強為0.7MPa的條件下，浸潤預制件，從室溫升高到80℃，保持2小時，再升溫至100℃，保持0.5小時，再降至室溫，完成固化。
 

        采用排水量的方法測量復合材料的密度。將每種復合材料制成25cm×25cm的試樣，浸潤在水中，記錄排出水的體積值。在電子天平上稱量每件試樣的重量，并記錄，計算出每件試樣的密度。如表1所示。

表1 混雜復合材料的密度

復合材料	經紗層數	緯紗層數	復合材料密度 (g/cm3)	厚度(mm)	纖維種類
					經紗	緯紗
層間混雜	6	7	1.51	5.10 ±0.05	K+B	K+B
層內混雜	6	7	1.44	5.00 ±0.07	K+B	K+B

                                  注：表中K表示芳綸纖維（314tex），B表示玄武巖纖維(670tex)。

      本實驗采用試樣法直接計算纖維體積含量。將每種復合材料制成100mm×100mm的試樣。用排水量法測出每件試樣的體積。分別數出經向和緯向的紗線數量，包括Z紗的數量。根據已知的紗線特數，可以計算出每件試樣中芳綸纖維和玄武巖纖維的重量和體積，考慮到復合材料中的空隙，進而得出基體、芳綸纖維和玄武巖纖維的體積含量，如表2所示。

表2 混雜復合材料的纖維和基體體積含量

復合材料	經紗		緯紗		Z紗(%)	總的纖維體積含量(%)	基體(%)
	玄武巖纖維(%)	芳綸纖維 (%)	玄武巖纖維 (%)	芳綸纖維(%)
層間混雜	6.03	6.89	11.92	18.17	8.19	51.20	48.8
層內混雜	6.26	7.15	14.22	16.27	6.82	50.72	49.27

       本實驗中，對于兩種三維機織混雜復合材料即層間混雜和層內混雜，分別準備三種試樣：0°(經向)/45°/90°(緯向)。對于0°和90°，分別制作了5個試樣。對于 45°，制作了三個試樣。所有的試樣是根據GB/T1447-2005標準制作的。在噴水切割機上切割試樣。試樣在0°和90°方向上切割成25mm×250 mm的矩形。然后將其打磨成狗骨頭形，如圖2所示。試樣的最小寬度是10mm. 試樣在45°方向上也切割成25mm×250 mm的矩形。
                                 

                                             圖2拉伸測試試樣

       根據GB/T 1447-2005標準測試方法測試拉伸性能。Instron 3382 可以加載100KN。對層間混雜和層內混雜復合材料進行測試。兩種復合材料分別在經向(0°) 和緯向(90°)進行拉伸測試，每組五個試樣。通過載荷峰值和試樣的截面積來計算拉伸強度。在試樣中間貼有應變片，通過這些試樣的應力—應變曲線計算出楊氏模量。分別將拉伸強度和楊氏模量比上對應方向纖維的體積含量，得到歸一化強度和歸一化模量。在±45°方向上進行偏軸拉伸測試，每組三個試樣，測試其剪切性能。夾頭的加載速度為3 mm/min，隔距為10 cm。
 

       圖3所示是層間混雜和層內混雜復合材料經向的拉伸應力—應變曲線，起初呈線性關系，之后由于樹脂的微小裂痕，線性關系的斜率下降，然后再線性增加，直到材料失效。
                                
                                   圖3 層間混雜和層內混雜復合材料經向應力—應變曲線

        表3所示是層間混雜和層內混雜復合材料拉伸性能的對比。其中層間混雜復合材料的經向拉伸強度為222MPa，經向楊氏模量為12.8GPa；層內混雜復合材料的經向拉伸強度為281.4MPa，經向楊氏模量為15.53GPa。可以看出層間混雜復合材料的斷裂強度和楊氏模量比層間混雜復合材料高。考慮到這兩種復合材料的纖維體積含量，計算出歸一化強度和歸一化模量，層間混雜復合材料的經向拉伸歸一化強度為1718.27MPa，經向歸一化模量為99.07GPa；層內混雜復合材料的經向拉伸歸一化強度為2098.43MPa，經向歸一化模量為115.81GPa，可見層內混雜復合材料的歸一化強度比層間混雜復合材料的歸一化強度大22.12%，層內混雜復合材料的歸一化模量比層間混雜復合材料的歸一化模量大16.9%。因為纖維排列方式不同，可以推論出纖維排列方式對混雜復合材料拉伸性能的影響是顯著的。在層內混雜復合材料中，玄武巖紗線和芳綸紗線的交替排列層有助于載荷的傳導；而在層間混雜復合材料中，因為每層紗線組分不一致，層與層之間容易產生應力集中，因而降低了復合材料的拉伸強度和楊氏模量。

表3 層間混雜和層內混雜復合材料拉伸性能的對比

     
       圖4所示的是層間混雜和層內混雜復合材料經向的拉伸破壞模式，兩種材料經拉伸破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來，纖維和基體發生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，不同的是，因為層間混雜復合材料的層間容易產生應力集中，被抽拔出的纖維較多，層內混雜復合材料的斷面比層間混雜復合材料的整齊。
                              


                               圖 4 (a)層間混雜復合材料經向和(b)層內混雜復合材料經向的拉伸破壞
 

             所示的是層間復合材料在經向和緯向的拉伸應力—應變曲線，其變化關系與圖3反映的相同。
                              
           
      表4所示的是層間混雜復合材料經向拉伸和緯向拉伸性能的對比，層間混雜復合材料的經向拉伸強度為222MPa，經向楊氏模量為12.8GPa；緯向拉伸強度為538MPa，緯向楊氏模量為26.4GPa，可以看出緯向的拉伸強度比經向的高，緯向的楊氏模量比經向的高。考慮到經向和緯向的纖維體積含量，計算出歸一化強度和歸一化楊氏模量，層間混雜復合材料的經向拉伸歸一化強度為1718.27MPa，經向歸一化模量為99.07GPa；緯向拉伸歸一化強度為1787.97MPa，緯向歸一化模量為87.74GPa。緯向的歸一化強度比經向的高，但緯向的歸一化模量比經向的低，緯向的歸一化強度比經向的大4.06%，緯向的歸一化模量比經向的小11.44%，因為緯向的纖維體積含量比經向的高，層間混雜復合材料的緯向歸一化強度比經向的高；但緯向較高的纖維體積含量增加了纖維間相互滑移，導致緯向的歸一化模量降低，而且由于Z紗的存在和織造工藝中經紗預加張力的影響，有利于經向歸一化模量的提高。

表4 層間混雜復合材料經向拉伸和緯向拉伸性能的對比

圖6所示的是層間混雜復合材料的經向和緯向的拉伸破壞模式，在經向和緯向破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來，纖維和基體發生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，不同的是，因為層間混雜復合材料的緯向纖維體積含量比經向高，緯向較高的纖維體積含量增加了纖維間的相互滑移，緯向被抽拔出的纖維較多
                   
                             
                         圖6 (a)層間混雜復合材料經向和(b)層間混雜復合材料緯向的拉伸破壞

       圖7所示的是層間混雜和層內混雜復合材料±45°偏軸向拉伸應力—應變曲線，其變化關系與圖3反映的相同。
                      

       表5所示是層間混雜和層內混雜復合材料的剪切性能對比。層間混雜復合材料的剪切強度為102MPa，剪切模量為3.15GPa；層內混雜復合材料的剪切強度為122MPa，剪切模量為3.97GPa，層內混雜復合材料的剪切強度和剪切模量都比層間混雜復合材料的高，層內混雜復合材料的剪切強度比層間混雜復合材料的大19.61%，層內混雜復合材料的剪切模量比層間混雜復合材料的大26.03%。因為在層內混雜復合材料中，玄武巖紗線和芳綸紗線的交替排列層有助于載荷的傳導；而在層間混雜復合材料中，因為每層紗線組分不一致，層與層之間容易產生應力集中，因而降低了復合材料的剪切強度和剪切模量。

      圖8所示的是層間混雜和層內混雜復合材料±45°偏軸向拉伸破壞模式。兩種材料拉伸破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來，纖維和基體發生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，斷口呈45°斜面，不同的是，因為層間混雜復合材料的層間容易產生應力集中，被抽拔出的纖維較多，層內混雜復合材料的斷面比層間混雜復合材料的整齊。
                                   

                                  圖8  (a)層間混雜和(b)層內混雜復合材料剪切測試破壞

       層內混雜復合材料的經向歸一化強度和經向歸一化模量比層間混雜復合材料的高。層間混雜復合材料緯向的歸一化強度比經向的高，但緯向的歸一化模量比經向的低。層內混雜復合材料的剪切強度和剪切模量比層間混雜復合材料的高。層間混雜和層內混雜復合材料經向的拉伸破壞模式、層間混雜復合材料的經向和緯向的拉伸破壞模式和層間混雜和層內混雜復合材料±45°偏軸向拉伸破壞模式，兩種材料經拉伸破壞后，在斷口處，纖維被抽拔出來，纖維和基體發生斷裂，纖維與基體的界面脫膠，但偏軸拉伸的斷口呈45°斜面。而且因為層間混雜復合材料的層間容易產生應力集中，被抽拔出的纖維較多，層內混雜復合材料的斷面比層間混雜復合材料的整齊；因為層間混雜復合材料的緯向纖維體積含量比經向高，緯向較高的纖維體積含量增加了纖維間的相互滑移，緯向被抽拔出的纖維較多。