摘 要

本课题通过在碳纤维复合材料中混杂芳纶纤维以改善其拉伸性能和弯曲性能，实验部分主要是制备多种比例的碳纤维-芳纶纤维混杂层合板，测试其拉伸，弯曲等力学性能，探究其性能最优时的混杂比例，为之后的冲击性能测试提供数据支持。

本实验设计了9种比例，包括纯碳纤维，纯芳纶纤维，碳纤维-芳纶混杂（混杂比例有1：1、1:2、2:1、1:3、3:1、1:4、4:1）。通过热压罐成型工艺制备测试样品，之后用万能材料试验机测试试样的拉伸，弯曲等力学性能。

通过不同混杂比例和不同碳纤维两个方面进行分析比较，得到了混杂少量芳纶有利于提高层合板的力学性能和碳纤维比例高时使用M-40碳纤维性能好，芳纶比例高时使用T-300碳纤维性能好的结论。

关键词：碳纤维；芳纶纤维；复合材料层合板；拉伸性能；弯曲性能

Abstract

By mixing Kevlar fiber in carbon fiber composite to improve its tensile properties and bending, the experimental part is mainly to prepare a variety of proportions of carbon fiber Kevlar fiber hybrid laminates, test its tensile and bending mechanical properties, explore the mixed proportion of its optimal performance, and provide the impact performance test for the subsequent impact test. Data support.

This experiment designed 9 proportions, including pure carbon fiber, pure Kevlar fiber and Kevlar hybrid (proportion 1:1, 1:2, 2:1, 1:3, 3:1, 1:4, 4:1). The test samples were prepared by autoclave molding process, and the tensile and bending properties of the specimens were tested by universal material testing machine.

Through the analysis and comparison of two aspects of different mixing ratios and different carbon fibers, it is concluded that a small amount of Kevlar fiber is good for improving the mechanical properties of the laminate and the good performance of the M-40 carbon fiber when the carbon fiber ratio is high, and the good performance of the T-300 carbon fiber is used when the Kevlar ratio is high.

Keywords：Carbon Fiber；Kevlar Fiber；Composite Laminates ;Tensile Properties；Bending Properties

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题的目的及意义 3

1.4 课题的主要研究内容 4

第二章 碳纤维-芳纶层合板的设计与制作 5

2.1 实验原料 5

2.2 层合板制作 5

2.2.1 层合板比例设计 5

2.2.2 层合板制备工艺 6

2.3试样制备 8

2.4 实验仪器与设备 8

第三章 碳纤维-芳纶层合板力学性能测试 10

3.1 测试标准 10

3.1.1 拉伸试验测试标准 10

3.1.2 弯曲实验测试标准 11

3.2 实验设备 12

3.3 实验结果与分析 13

3.3.1 拉伸实验 13

3.3.2 弯曲实验 20

第四章 总结与存在的问题 25

4.1 总结 25

4.2 存在的问题 25

参考文献 26

致 谢_{………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………}27

第一章 绪论

• 1. 引言

混杂纤维复合材料是指由两种或两种以上纤维混杂增强一种新型基体而形成的复合材料，是一种20世纪70年代发展起来的新型复合材料，混杂复合材料很大程度地提高了复合材料的性能参数，拓展了使用范围，使材料充分保留了多种混杂纤维的优点，达到单种增强纤维所不能实现的效果，使复合材料在相对低成本的情况下下实现了多方面的应用，混杂复合材料相比与单一纤维增强复合材料允许更精确地设计复合材料，其各方面性能可满足不同的条件需求，其中“混杂效应”是混杂纤维复合材料所特有的一种现象，国内外许多学者对混杂纤维复合材料的“混杂效应”做了多方面研究。混杂纤维复合材料不单单保留了单一纤维复合材料的优点，同时获得了多种纤维优异的综合性能。从混杂结果来看，混杂效应可简单分为两类：一类是正混杂效应，即混杂后的性能比相同纤维体积含量的单一纤维复合材料的性能有所提升；另一类是负混杂效应，即混杂后的性能比相同纤维体积含量的单一纤维复合材料性能有所下降[^[1]][^[2]]。根据实际情况的需要，通过混杂使所需性能得到改善，负效果也是在可以接受的范围之内。混杂纤维复合材料具有性能优异，结构可设计，成本低等综合特点，使混杂纤维复合材料广泛应用在航空航天，医学设备，体育器械等方面。

碳纤维因其具有高的比强度和比模量受到广泛关注，被大量用作复合材料的增强材料。碳纤维复合材料比模量是钢铝合金高的5倍，比强度也高3倍以上，同时具有良好的耐腐蚀性能、耐热冲击性能、耐烧蚀性能等优点，因而广泛应用于航空航天领域制造机翼，风电领域制造风机叶片，体育领域制作球拍等，是典型的高科技领域中的新型工业材料。

芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的统称，国外商品牌号叫凯夫拉（Kevlar）纤维，我国命名为芳纶纤维。芳纶纤维的发展历史很短，从20世纪60年代才开始发展，但发展速度很快，常用芳纶纤维共有三个品种：Kevlar纤维，Kevlar-29纤维（简称K-29），Kevlar-49纤维（简称K-49）。芳纶纤维是一种具有超高强度，高模量，耐高温，耐腐蚀，低密度等优异性能的新型有机纤维。芳纶纤维的力学性能与其他有机纤维不同，其拉伸强度和初始模量很高，强度为钢丝的5-6倍，模量为钢丝的2-3倍，但延伸率较低；即使与无机纤维相比，其强度也不逊色。芳纶纤维的拉伸强度为玻璃纤维的1-2倍，与碳纤维相差不大，拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤维；芳纶的强度和模量高，而密度低，因此这种增强纤维有很高的比强度和比模量。由于它具有一系列优异性能，在很多工业部门得到了非常广泛应用。三种不同牌号的芳纶纤维用途各不相同，Kevlar纤维主要用作制造增强塑料，制造轮胎，三角皮带，同步带等；Kevlar-29纤维主要用于绳索，电缆，涂漆织物，带和带状物，防弹板，防弹头盔等；Kevlar-49纤维主要用作航空航天，国防造船等使用的众多复合材料的增强材料，例如火箭发动机壳体，飞机的各种部件等[^[3]]。

• 1. 国内外研究现状

随着科学技术的快速发展，对材料的综合性能要求越来越高，为了弥补单一材料的性能缺陷，多元多质材料则在这种情况下因运而生。混杂复合材料是一种由两种或两种以上纤维材料的增强体和聚合物基体组合而成的新型复合材料[^[4]]。混杂复合材料具有力学性能优异、可设计性强，成本低等优点；与此同时，混杂复合材料提供了不同材料的性能组合，使多种具有突出特点的材料得以综合的同时也弥补了材料的自身的缺陷，到达了扬长避短作用，因此混杂复合材料在工程应用中受到了广泛的重视并且应用于在航空航天，海洋设备，能源，军用装备，民用工程等领域，例如帆翼上的混杂复合材料蒙皮，用于风力发电的叶片，船体结构，头盔，天桥等[^[5]]。

混杂复合材料按纤维的排列方式分类，主要有层内混杂，层间混杂，束内混杂三种方式。层内混杂是指在同一织物中，包含多种纱线；层间混杂是指层合板各层之间的纤维不同，同一层内只有一种纤维；束内混杂是指同一束纱线包含多种不同的纤维。碳纤维复合材料具有抗拉强度高，弹性模量高等优点，但延伸率较低，抗冲击性能和断裂韧性较差。想要得到增韧的碳纤维复合材料时，我们通常选择混杂断裂延伸率高的芳纶纤维。因此混杂复合材料不仅可以综合不同材料的优点，弥补单一纤维增强复合材料的不足，又能达到节约成本和减重的效果[^[6]]。