近年来，复合材料已广泛应用于航空航天^[1-2]、防弹防护^[3]、车船交通^[4]、建筑^[5]等领域，提高产品的性能和实现产品的轻量化已成为研究重点。基于产品用途的复杂性，混杂复合材料迅速得到了应用，用来改善单一增强体所带来的性能局限^[6-8]。碳纤维作为高强高模材料，成为高科技领域复合材料使用的主要增强材料，然而其脆性大、断裂伸长率小等问题严重制约了其在复合材料中的应用^[9]。目前，将延展性好的高性能纤维与碳纤维共同作为复合材料的增强材料可有效避免由于碳纤维脆性大而导致的材料损伤问题^[10]。

目前大部分研究是在碳纤维复合材料中混杂玻璃纤维、石英纤维等延展性较好的纤维来提高碳纤维复合材料的延展性和韧性。马腾等^[11]研究了碳/玻璃纤维混杂复合材料的压缩性能和弯曲性能，探讨了混杂比对材料性能的影响，揭示出玻璃纤维的加入对复合材料的压缩和弯曲性能均有一定的改善。Dong等^[12]和Pandya等^[13]通过分析混杂复合材料的基本力学性能，并利用显微镜对其破坏形貌进行分析，阐明对于碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料来说，混杂比对该材料的性能影响很大。基于此，为了优化碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料动态力学性能的混杂比，杨斌等^[14]对碳/玻璃纤维混杂复合材料的抗冲击性能进行了研究，研究结果表明在复合材料中加入37%(体积分数，下同)的玻璃纤维与碳纤维进行混杂，材料的冲击韧性可得到改善，吸收的能量提高了2倍。

纬编双轴向多层衬纱(multi-layered biaxial weft knitted, MBWK)织物由于其衬纱的平行顺直状态，使该织物拥有优异的面内力学性能，因此在众多领域得到了广泛的应用。其中以姜亚明为主要负责人的研究团队通过力学建模探讨了织物拉伸^[15]、弯曲^[16]和面内剪切性能^[17]，有力推动了该织物在航空航天、车船制造等领域的应用。李嘉禄等在MBWK织物研究已相当深入的基础上，通过树脂传递模塑成型(RTM)工艺制备了MBWK织物增强复合材料，研究了材料的拉伸^[18]、弯曲^[19]、压缩^[20]等基本力学性能，揭示出该复合材料平行顺直的高性能纱线的存在使其基本力学性能得到了明显改善，与机织物增强复合材料相比，其性能提高了20%~30%^[21-22]。然而，到目前为止，碳纤维衬纱脆性大的缺点始终影响着MBWK织物增强复合材料的应用。本工作利用层内混杂的方式制备了碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物，通过RTM工艺制备了碳/芳纶纤维混杂复合材料，并对其力学性能进行了研究，探讨了混杂比对该材料弯曲和拉伸性能的影响。

1 实验材料与方法 1.1 原料

T300碳纤维，由日本东丽公司生产，细度为6 K；芳纶纤维为Kevlar-49，由美国杜邦公司生产，细度为1580 dtex；环氧树脂为TDE-86，由天津津东化工助剂厂生产。材料性能参数见表 1。

1.2 试样制备 1.2.1 MBWK织物织造

MBWK织物是由天津工业大学复合材料研究所于1999年在横机设备上开发成功的专利产品，选取碳纤维、芳纶纤维作为衬纱，涤纶低弹丝(细度为75D×2)作为捆绑纱，在复合材料研究所自主研发的纬编机上进行织造。在衬经纱层和衬纬纱层分别按照一定的比例衬入碳纤维和芳纶纤维，衬纱方式如图 1所示。所织造的织物参数见表 2。

1.2.2 复合材料制备与测试

MBWK织物增强复合材料的制备采用RTM工艺，将裁减后的MBWK织物铺覆在模具内，并将事先配置好的环氧树脂加入RTM注射机内，待注射完毕，加入烘箱内进行固化。制备好的复合材料如图 2所示。在试样制备过程中，根据衬纱取向的不同制备了两种试样，分别是0°试样和90°试样，试样长度方向沿材料纬向的称为0°试样，试样长度方向沿材料经向的称为90°试样。

采用AG-250KNE万能材料试验机对材料的拉伸性能和弯曲性能进行测试。其中弯曲试样跨厚比为16:1，十字压头的速率为2 mm/min，压头半径和支座半径均为5 mm。

2 结果与分析 2.1 混杂比对MBWK织物增强复合材料拉伸强度和模量的影响

图 3为不同混杂比的MBWK织物增强复合材料沿经向和纬向拉伸的强度和模量。由图 3(a)可以看出，不同混杂比的复合材料拉伸强度存在很大差异，随着衬入芳纶纤维的含量提高，复合材料的拉伸强度发生了剧烈变化，当芳纶纤维含量为42%时，0°试样材料的拉伸强度为682.8 MPa，拉伸强度最大。此时碳纤维和芳纶纤维的衬纱方式为6:6，结构较稳定，可均匀承受载荷，从而出现了积极的混杂效应。而对于90°试样，当加入不同比例的芳纶纤维时，材料的拉伸强度均高于纯碳纤维和纯芳纶纤维的拉伸强度，表现出积极的混杂效应。由图 3(b)可以看出，C8A4, C6A6, C4A8的拉伸模量均低于C12的拉伸模量，而高于A12的拉伸模量，表明随着芳纶纤维含量的提高，复合材料的拉伸模量降低，材料表现出消极的混杂效应。除此，由图 3还可以看出，0°试样的拉伸强度和模量均小于相同材料结构的90°试样的拉伸强度和拉伸模量，这主要是由于两种类型的试样沿拉伸轴向承受载荷的纤维状态不同，对于0°试样起主要承受拉伸载荷作用的衬纬纱分布于材料的上下表层，而90°试样起主要承受弯曲载荷作用的衬经纱分布于材料的中间位置，纱线集束状态好，从而提高了材料的抗拉能力。

2.2 混杂比对MBWK织物增强复合材料拉伸断裂伸长率的影响

不同混杂比的MBWK织物增强复合材料的断裂伸长率高于碳纤维MBWK织物增强复合材料，而低于芳纶纤维MBWK织物增强复合材料，如图 4所示。随着芳纶/碳纤维混杂比的增加，0°试样和90°试样的断裂伸长率增大。最主要的原因是不同混杂比的MBWK织物增强复合材料的拉伸断裂机理不同于纯碳纤维的MBWK织物增强复合材料。碳纤维复合材料的裂纹在拉伸载荷下可以迅速扩展到整个截面，从而发生突变破坏。在碳纤维MBWK织物增强复合材料中，由于芳纶纤维的加入，使碳纤维周围存在具有高断裂伸长率的芳纶纤维，将阻止裂纹扩展，从而延迟损伤的产生。另一个明显的现象是0°试样的断裂伸长率低于90°试样的断裂伸长率，差别较大。相对于90°试样，0°试样分别降低了5.7%，28.5%，28.9%，27.6%和33.5%。其主要原因在于0°试样和90°试样沿长度方向的衬纱形式不同，其中0°试样沿长度方向的衬纱为纬纱，90°试样为经纱。在MBWK织物织造过程中，衬经纱由于经纱轴张力的作用处于完全伸直状态，而衬纬纱通过喂纱装置引入捆绑组织内，从而存在微屈曲。在材料受到拉伸载荷时，衬纬纱由于具有微屈曲而不能有效阻止环氧树脂基体裂纹的扩展，从而造成材料发生破坏，降低了材料的拉伸断裂伸长率。

2.3 碳/芳纶纤维混杂MBWK织物增强复合材料的拉伸失效模式

碳/芳纶混杂MBWK织物增强复合材料随纤维混杂比、拉伸轴向、纤维状态的不同, 表现出不同的拉伸性能。图 5为碳/芳纶混杂MBWK织物增强复合材料拉伸断裂形貌图。由于拉伸失效的形式一般为纤维、树脂的脆性断裂和纤维的抽拔等，因此在实验中材料的破坏模式主要分为完全脆性断裂模式(如图 5中C12材料破坏形式)和“扫帚”形纤维断裂模式(如图 5中0°试样的C8A4，C6A6和90°试样的C6A6，C4A8的破坏形式)。0°试样的C8A4，C6A6和90°试样的C6A6，C4A8在破坏时，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, 同时由于芳纶纤维和环氧树脂的界面结合力较小，造成芳纶纤维出现了纤维抽拔现象。

2.4 弯曲载荷-挠度曲线

图 6为不同混杂比MBWK织物增强复合材料弯曲载荷-挠度曲线。由图 6可知，C12复合材料试样具有最高的破坏载荷，并出现脆性断裂，破坏挠度较小等现象，这主要是由于碳纤维的脆性大，断裂伸长率小等原因造成的。按照一定的混杂比加入芳纶纤维后，复合材料的破坏载荷下降。达到破坏载荷时，材料没有出现瞬间破坏，而是随着挠度的不断增加逐步破坏，表明芳纶纤维的加入有效提升了碳纤维增强复合材料的破坏韧性，改变了复合材料的破坏形式，改善了碳纤维脆性断裂带来的材料瞬间破坏问题。

2.5 混杂比对MBWK织物增强复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响

图 7为不同混杂比的MBWK织物增强复合材料两种试样类型的弯曲强度和弯曲模量。由图 7可以看出，不同混杂比的复合材料弯曲强度和弯曲模量存在很大差异，随着衬入芳纶纤维的含量提高，复合材料的弯曲强度和弯曲模量降低，当所有衬纱全部是芳纶纤维时，弯曲强度和弯曲模量最低，碳纤维和芳纶纤维混杂后表现出明显的混杂效应。随着混杂比的增加，0°试样的弯曲强度比碳纤维作为衬纱时分别降低了12.6%，26.5%，20.6%和26.4%，弯曲模量比碳纤维作为衬纱时分别降低了9.1%，8.1%，20.8%和12.2%，90°试样的弯曲强度比碳纤维作为衬纱时分别降低了8.9%，15.1%，33.5%和13.9%，弯曲模量比碳纤维作为衬纱时分别降低了8.9%，3.6%，27.7%和17.6%。当复合材料中芳纶含量从42%(C6A6)到59.2%(C4A8)的变化过程中，弯曲强度和弯曲模量的降低率较高，材料性能变化程度较大，因此在使用该混杂复合材料时应注意混杂比在42%(C6A6)至59.2%(C4A8)范围内的使用条件。此外，由图 7还可以看出0°试样的弯曲强度和弯曲模量均低于90°试样，分别降低了12.5%，16.2%，27.4%，13.3%和25.9%，这主要是由于两种类型的试样弯曲破坏模式不同，对于0°试样起主要承受弯曲载荷作用的衬纬纱分布于材料的上下表层，分别受到压缩和拉伸的作用，而90°试样起主要承受弯曲载荷作用的衬经纱分布于材料的中间位置，基本以受拉作用为主，从而提高了材料的抗弯能力。

2.6 混杂比对MBWK织物增强复合材料弯曲挠度的影响

图 8为不同混杂比的MBWK织物增强复合材料两种试样类型的弯曲挠度与碳/芳纶混杂比的关系。由图 8可以看出，加入芳纶纤维的复合材料弯曲挠度明显高于纯碳纤维增强的复合材料，碳纤维和芳纶纤维混杂后表现出明显的混杂效应。对于0°试样，当混杂比为59.2%(C4A8)时，弯曲挠度最大，达到7.49 mm，混杂复合材料的弯曲挠度高于纯芳纶纤维和纯碳纤维增强的复合材料，表现出积极的混杂效应。对于90°试样，所有混杂复合材料的弯曲挠度均高于纯芳纶纤维和纯碳纤维增强的复合材料，也表现出积极的混杂效应，当混杂比为26.6%(C8A4)时达到最大挠度7.96 mm。由于芳纶纤维的延展性明显高于碳纤维，可以看出混杂后复合材料的失效位移均显著高于纯碳纤维增强的复合材料。因此，可通过在碳纤维复合材料中加入芳纶纤维来改善碳纤维的断裂韧性，提高材料整体的延展性，使材料的失效过程趋于平缓，而不是脆性失效。

2.7 混杂比对MBWK织物增强复合材料弯曲断裂形貌的影响

碳/芳纶混杂MBWK织物增强复合材料在弯曲载荷下的失效模式主要包括压缩、拉伸、剪切等。其中, 压缩失效和拉伸失效最常见，一般为树脂碎裂、脆性断裂和纤维抽拔等，剪切失效一般出现在中间层附近，发生材料层与层之间的分层破坏。然而，由于碳纤维和芳纶纤维与环氧树脂的界面结合力不同，其破坏形式也存在很大的差异。图 9给出了碳纤维和芳纶纤维复合材料在弯曲载荷下的破坏形式，可以看出，碳纤维增强部分材料发生了纤维断裂、树脂碎裂，分层现象不明显；而芳纶纤维增强部分则纤维抽拔现象明显，并伴随明显的分层现象。由于碳纤维失效位移较小，并与环氧树脂界面结合力较大，表现为脆性断裂，在受到弯曲载荷作用时出现了明显的纤维断裂。芳纶纤维具有较好的断裂伸长率和延展性，随着弯曲载荷的增加，基体或界面缺陷处会产生微裂纹, 当微裂纹逐渐扩展尚未达到芳纶纤维的断裂伸长率时，芳纶纤维会阻止裂纹的继续扩展，从而延缓材料的失效，此处材料并不是发生脆性失效。

3 结论

(1) 碳/芳纶混杂有效改善了MBWK织物增强复合材料的拉伸性能。当芳纶纤维含量为42%时，0°试样材料的拉伸强度为682.8 MPa，拉伸强度最大，出现了积极的混杂效应。当加入不同比例的芳纶纤维时，90°试样材料的拉伸强度均高于纯碳纤维和纯芳纶纤维的拉伸强度，表现出积极的混杂效应。

(2) 在拉伸实验中碳/芳纶混杂MBWK织物增强复合材料的破坏模式主要分为完全脆性断裂模式(C12材料破坏形式)和“扫帚”形纤维断裂模式(0°试样的C8A4和C6A6以及90°试样的C6A6和C4A8的破坏形式)。

(3) 碳/芳纶纤维混杂MBWK织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随混杂比的提高呈下降趋势，复合材料中芳纶含量从42%(C6A6)到59.2%(C4A8)的变化过程中，弯曲强度和弯曲模量下降较快。

(4) 由于两种类型的复合材料在承受外部弯曲载荷时，其主承载作用的衬纱不同，使得0°试样的弯曲强度和弯曲模量均低于90°试样，分别降低了12.5%，16.2%，27.4%，13.3%和25.9%。

(5) 0°试样在混杂比为59.2%(C4A8)时，弯曲挠度最大，达到7.49 mm，混杂复合材料的弯曲挠度高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料，表现出积极的混杂效应。所有90°混杂复合材料试样的弯曲挠度均高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料，也表现出积极的混杂效应，当混杂比为26.6%(C8A4)时达到最大挠度7.96 mm。