编织结构与填料杂化对Cotton–Kevlar/Epoxy层内复合材料振动及侵蚀特性的影响

《Journal of Natural Fibers》：Impact of Weave Architecture and Filler Hybridization on the Vibration and Erosion Characteristics of Cotton–Kevlar/Epoxy Intra-Ply Composites

　　

本研究通过实验探究了编织结构、填料含量（1 wt.%及5 wt.%）和冲击角（30°、60°及90°）对添加钴铁氧体与蛤壳粉的凯夫拉/棉层内（平纹、篮纹及斜纹编织）纤维增强环氧树脂复合材料侵蚀速率与振动性能的影响。侵蚀实验结果显示，侵蚀速率取决于织物结构与冲击角。在90°冲击角下，添加1 wt.%填料的篮纹织物（KCB1）具有最低侵蚀速率（0.0505×10^?4 g/g）；而在30°冲击角下，未添加填料的平纹织物（KCP）呈现最高侵蚀速率（5.7576×10^?4 g/g）。根据田口分析，KCB1的信噪比（S/N比）最高，达25.9333 dB，而KCP的S/N比最低，为?15.2048 dB。基于方差分析（ANOVA）数据，冲击角被认定为最具影响力的参数，其次为编织结构与填料浓度。自由振动分析显示，添加填料可提升动态性能。含5 wt.%填料的平纹复合材料（KCP5）展现出第一模态（58.6 Hz）与第二模态（273.4 Hz）的最高固有频率；含5 wt.%填料的篮纹复合材料（KCB5）则在第一模态（0.0018）与第二模态（0.0007）呈现最低阻尼因子，表明其刚度与能量耗散能力均得到增强。

**一、研究背景、现存问题与研究意义**

纤维增强聚合物复合材料凭借高比强度、高比刚度、轻质、耐腐蚀及设计灵活性等优势，在航空航天、汽车、船舶和土木工程领域应用日益广泛。其中，凯夫拉（Kevlar）纤维因具有优异的抗冲击性、高韧性、长疲劳寿命和固有阻尼特性而备受青睐，已广泛用于承受动态载荷、冲击和循环应力的部件。然而，Kevlar纤维成本高昂，限制了其在成本敏感领域的应用；其压缩强度较低，易发生微屈曲；在高速度或高载荷工况下可能出现疲劳磨损、磨粒磨损和塑性变形；同时Kevlar纤维易吸湿，长期服役会侵蚀纤维-基体界面。天然纤维如棉具有低密度、可再生、可生物降解、价格低廉等优点，且天然纤维复合材料具备良好的阻尼特性和能量吸收能力，有助于减振；但其抗侵蚀性差、易吸湿、耐久性不足，在恶劣工况下的长期稳定性受限。混合化（hybridization）是实现性能互补的有效途径，其中层内混合（intra-ply hybridization）可在单一织物内实现多种纤维的均匀分布，有利于载荷有效共享和应力平滑传递，减少层间失效风险。已有研究多聚焦于Kevlar-天然纤维复合材料的静态力学性能，对其振动响应和侵蚀性能的同步研究较少，而将钴铁氧体纳米粒子（CoFe₂O₄）与蛤壳粉（clamshell powder）作为复合填料加入Kevlar/棉层内混合体系的报道尚未见诸文献。为此，本研究旨在系统考察编织结构（平纹、篮纹、斜纹）、填料含量（1 wt.%和5 wt.%）及冲击角（30°、60°、90°）对Kevlar/棉/环氧层内复合材料侵蚀速率和振动性能的影响，为开发兼顾可持续性、耐蚀性、减振性和经济性的复合材料提供实验依据。

**二、主要技术方法**

研究人员采用手织机将棉纱与Kevlar纱线以交替排列方式织造，制成平纹（plain）、篮纹（basket）和斜纹（twill）三种层内混合织物。以蛋清为燃料，通过绿色自燃烧法合成钴铁氧体纳米粒子，经X射线衍射（XRD）确认形成立方尖晶石相，扫描电子显微镜（SEM）测得平均粒径约65 nm。蛤壳粉由印度坎亚库马里海岸收集蛤壳，经清洗、日晒、球磨后制得平均粒径1.96 μm的粉末。以环氧树脂LY556和硬化剂HY951按10:1混合作为基体，将钴铁氧体（固定1 wt.%）与蛤壳粉（1 wt.%或5 wt.%）加入树脂后，采用压缩模塑法在150 bar、100°C条件下制备9种复合材料试样，分别记为KCP、KCB、KCT（无填料），KCP1、KCB1、KCT1（1 wt.%填料），KCP5、KCB5、KCT5（5 wt.%填料）。侵蚀试验依据ASTM G76标准，采用空气喷射式侵蚀试验装置，以平均粒径50 μm的氧化铝粉末为侵蚀介质，冲击速度100 m/s，冲击角设为30°、60°和90°，侵蚀时间6 min，按称重法计算侵蚀速率。采用田口L27正交试验设计（Taguchi method）对编织类型、填料浓度和冲击角三个控制因素进行分析，利用Minitab?软件计算信噪比（S/N比）并开展方差分析（ANOVA）。采用扫描电子显微镜（SEM）对侵蚀后试样表面形貌进行观察。自由振动试验依据ASTM E756-05标准，采用力锤激励法（Kistler 9722A500冲击锤）激发试样振动，通过加速度计和Dewetron 43数据采集系统记录响应，使用DEWESoft 7.3软件提取固有频率和阻尼因子。

**三、主要研究结果**

**侵蚀实验结果——层内混合复合材料的影响**

侵蚀结果表明，冲击角和试样结构对Kevlar/棉混合环氧复合材料的冲蚀磨损性能有显著影响。总体而言，90°冲击角下的侵蚀率低于60°和30°工况，这是因为90°时材料去除主要由变形和压缩机制控制，伴随局部塑性变形和表面应变硬化；而30°低角度下，切削（cutting）和微犁削（micro-plowing）占主导，材料去除量更大。就编织结构而言，篮纹编织因纱线互锁紧密、纤维约束良好，能有效耗散冲击能量，在各冲击角下特别是高角度下表现出最佳抗侵蚀性；斜纹编织居中；平纹编织因纱线卷曲度高、基体富集区暴露，切削和微犁削作用更强，侵蚀率最高。棉纤维纤维素含量高、与环氧基体相容性好，改善了纤维-基体界面结合，有利于应力传递和冲击能量耗散，因此本研究复合材料在无填料条件下也表现出与文献中Kevlar/hemp和Kevlar/PALF体系相当或更优的侵蚀性能。

**侵蚀实验结果——添加填料的层内混合复合材料**

无填料复合材料（KCP和KCB）主要呈延性侵蚀响应，在低冲击角下侵蚀率较高，KCT在90°下侵蚀率相对偏高。添加1 wt.%填料后，各冲击角下侵蚀率显著降低，但仍保持延性（KCP1和KCB1）或半延性（KCT1）的变形控制型机制，说明填料通过提高基体刚度和改善纤维-基体界面结合增强了抗侵蚀能力，但未显著改变侵蚀机理。含5 wt.%填料的复合材料在30°和60°下侵蚀率较高，90°下较低，总体仍属延性或半延性去除机制。中等填料添加量（1 wt.%）在改善抗侵蚀性方面最为有效，更高填料含量（5 wt.%）虽改变侵蚀机制但未使材料呈现脆性侵蚀行为。

**田口分析**

田口L27正交试验表涵盖三因素三水平，共27组试验组合。S/N比响应分析显示，编织结构对侵蚀率影响最大（delta值最高），其次为冲击角，填料浓度影响相对较小。最优参数组合确定为A3B2C2，预测S/N比为27.2366 dB；采用该组合进行确认试验，实测侵蚀率与预测值的百分比误差为4.91%，S/N比误差为4.79%，验证了模型预测侵蚀速率的准确性。

**基于ANOVA的回归分析**

加入交互作用的ANOVA分析显示，冲击角贡献最大，占总变异的21.01%，因其直接控制侵蚀机理，低角度以切削和微犁削为主、高角度以变形控制为主。编织结构贡献为20.46%，篮纹编织提供更好的纤维互锁和载荷分布，平纹编织则基体暴露和材料去除敏感性更高。编织结构与冲击角的交互作用贡献12.50%，说明侵蚀行为不能由单一因素解释。填料浓度仅贡献1.39%，但与编织结构的交互贡献为7.10%，表明填料通过基体刚度和界面改性间接影响侵蚀性能。模型残余误差由57.75%降至37.51%，说明加入交互效应显著提升了模型解释能力。田口S/N比排序与ANOVA贡献率存在差异，田口法强调响应的均值与稳健性，ANOVA衡量因素对总方差的实际贡献，二者互补而非矛盾。

**侵蚀试样表面形貌（SEM）**

SEM观察显示，侵蚀损伤始于基体主导的变形和开裂，随后出现界面脱粘、纤维暴露、拔出直至纤维断裂。KCP在30°冲击角下侵蚀率最高（5.7576×10^?4 g/g），表面出现纤维和基体碎屑、纤维-基体分层、犁削作用和沟槽形成。KCB1在60°和90°下侵蚀率最低（0.5556×10^?4 g/g和0.0505×10^?4 g/g），表面仅见侵蚀区域、微裂纹、小空腔和暴露的断纤，归因于填料均匀分散、基体刚度增强和界面结合改善。KCP5、KCB5和KCT5在相应角度出现凹坑、纤维碎片、断裂纤维和纤维去除后形成的沟槽，表明5 wt.%蛤壳粉导致填料团聚、应力集中和界面结合不足，加剧了侵蚀损伤。

**自由振动特性——编织结构的影响**

无填料复合材料的自由振动测试显示，篮纹编织（KCB）第一阶固有频率最高，其次为斜纹（KCT），平纹（KCP）最低，这与织物结构刚度一致：篮纹编织改善了纱线约束和载荷分布，斜纹提供适中的卷曲度和悬垂性，平纹因纱线卷曲度大、纤维波纹度明显，有效刚度较低。阻尼因子方面，平纹最高，斜纹居中，篮纹最低，这与高卷曲设计下的纱间摩擦增强、基体变形加剧及纤维-基体界面微滑移有关，这些机制有助于振动能量耗散。

**自由振动特性——中等填料掺入量的影响**

向各编织结构中添加1 wt.%钴铁氧体和1 wt.%蛤壳粉后，固有频率均较无填料对照略有提升，表明有效刚度因基体刚化和纤维-基体界面结合增强而提高。固有频率的排序仍为KCB1＞KCT1＞KCP1，说明编织结构依然主导动态响应。1 wt.%填料复合材料的阻尼因子高于5 wt.%组但低于无填料平纹组，说明在这一浓度下，微尺度界面摩擦和填料引入的适度约束可提供有效振动阻尼，同时未引发基体刚度的过度增加，实现了刚度与能量耗散之间的平衡。

**自由振动特性——增加填料掺入量的影响**

在5 wt.%填料含量下，振动响应呈现更复杂且与结构相关的特征。平纹编织复合材料（KCP5）的固有频率显著高于其低填料和无填料对应试样，这可能归因于平纹织物富含较大基体区域，能更有效地承载高含量填料，局部基体刚度得以增强。相比之下，篮纹和斜纹编织复合材料在5 wt.%填料下固有频率较1 wt.%组下降，这与填料质量贡献增加、在密实织物结构中发生团聚以及应力有效传递受阻有关。所有5 wt.%填料复合材料的阻尼因子均低于无填料和1 wt.%组，表明高填料浓度导致基体硬化、聚合物链段活动受限和粘弹性变形减少，能量耗散能力下降，结构动力学响应由刚度主导。

**四、讨论总结与研究结论**

综合侵蚀与振动研究结果，编织结构是决定Kevlar/棉层内混合复合材料动态响应的主要因素，填料浓度则作为次级参数通过调控基体刚度和界面性能间接影响整体性能。侵蚀行为受冲击角控制、受编织结构调节，填料以1 wt.%添加量达到最佳抗侵蚀效果；振动性能主要由编织结构主导，中等填料含量可在提升刚度的同时保持阻尼能力，高填料含量则使行为转向刚度主导并降低阻尼。在最终结论中，研究人员指出，含1 wt.%填料的篮纹编织复合材料（KCB1）在90°冲击角下侵蚀速率最低（0.0505×10^?4 g/g），表现出最优异的抗侵蚀性能，适用于发动机进气唇和进气道衬垫等应用场景；含5 wt.%填料的平纹复合材料（KCP5）具有最高的第一阶固有频率（58.6 Hz），优于文献报道的PALF/Kevlar（48.83 Hz）和hemp/Kevlar（48.43 Hz）复合材料，且高于未填充KCB的23.8 Hz和KCB1的24.4 Hz，因此被推荐用于小型无人机螺旋桨和飞机地板面板。该研究为振动敏感和磨损主导的工业环境提供了兼具可持续性、经济性、耐久性与减振性能的新型复合材料设计方案。