短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備及其疲勞性能研究

盛永華，李 力

（1.番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東廣州511483；2.廣州城建職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，廣東廣州510925；3.江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，江西南昌330100）

短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備及其疲勞性能研究

盛永華1，2，李 力3

（1.番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東廣州511483；2.廣州城建職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，廣東廣州510925；3.江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，江西南昌330100）

采用注射成型的方法，以短切碳纖維為增強(qiáng)體，聚乙烯為基體制備了碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，并研究了碳纖維含量對該復(fù)合材料疲勞性能的影響，分析了短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的斷裂機(jī)理。結(jié)果表明，短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的疲勞壽命隨著碳纖維含量的增加而延長。

熱塑性樹脂；短碳纖維；復(fù)合材料；疲勞性能；疲勞極限

0 前言

被人們譽(yù)為密度比鋁小、強(qiáng)度比鋼大的碳纖維及其復(fù)合材料為近20年以來最引人關(guān)注的工業(yè)新型材料之一［1］。20世紀(jì)50年代末，美國和前蘇聯(lián)在太空的開發(fā)方面進(jìn)行了激烈競爭，極其迫切需要高模量、高強(qiáng)度、抗化學(xué)腐蝕、耐高溫、耐燒蝕、抗疲勞和輕質(zhì)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)材料來滿足苛刻條件下原子能、宇航、導(dǎo)彈、航空等高尖端技術(shù)的需求，這對碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用［2－3］。原因在于現(xiàn)有的金屬及其合金和三大合成材料（塑料、纖維、橡膠）中的任何一種單獨(dú)使用時(shí)均不能滿足高尖端技術(shù)的要求，只有經(jīng)人工精心設(shè)計(jì)與制造，把多種特殊材料通過復(fù)合形成一種新材料來滿足現(xiàn)代先進(jìn)高尖端技術(shù)的多功能要求。碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂為碳纖維復(fù)合材料的重要分支之一，因?yàn)槠湫阅軆?yōu)異，近年來此種復(fù)合材料的用途及產(chǎn)量逐漸擴(kuò)大。

20世紀(jì)70年代之前，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料被認(rèn)為是一種相當(dāng)昂貴的材料，其價(jià)格約為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的10倍［4－5］，僅在軍工、宇航等高尖端技術(shù)行業(yè)應(yīng)用。20世紀(jì)80年代之后，碳纖維以每年50%以上的速度增長，其中推動(dòng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料發(fā)展有2個(gè)重要因素［6－7］，一是對上述材料不斷深入的認(rèn)識和其性能的日趨完善，使其能夠達(dá)到許多其他材料無法比擬的性能，這就使其使用量不斷升高；二是費(fèi)效比的不斷降低，這主要得益于碳纖維工業(yè)可以提供高品質(zhì)的纖維和纖維／基體摻混技術(shù)的不斷進(jìn)步。規(guī)?；祭w維的生產(chǎn)，使碳纖維的品質(zhì)提高且價(jià)格下降，摻混技術(shù)的進(jìn)步促使復(fù)合材料中加入的碳纖維含量不斷上升，當(dāng)前己可達(dá)體積含量為60%以上。另外，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料發(fā)展很快且優(yōu)點(diǎn)很多，如韌性好、耐破壞性能好、加工成型性能好，能一次成型形狀復(fù)雜的零部件或制品，沒有儲(chǔ)存期、成型周期短、制品成本低等。所有這些優(yōu)點(diǎn)都使得碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域［8］。本文以短切碳纖維為增強(qiáng)體，聚乙烯為基體制備了碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，并研究了碳纖維含量對該復(fù)合材料疲勞性能的影響，分析了短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的斷裂機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚丙烯腈基碳纖維（12K），T700，日本東麗公司；低壓高密度聚乙烯，1600J，湖南石油化學(xué)公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

疲勞試驗(yàn)機(jī)，EHF－EM200K2－070－1A，島津（香港）有限公司；注塑機(jī)，XS－ZY500，山東通佳機(jī)械有限公司；掃描電子顯微鏡，JSM－6360LA，日本島津公司。

1.3 樣品制備

制備工藝：本文以聚乙烯為基體材料和短碳纖維（未處理和氧化處理）為增強(qiáng)材料，均勻混料后采用注射成型制備復(fù)合材料。制備復(fù)合材料的工藝路線如圖1所示；

混料：短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料是非均質(zhì)材料，原料由聚乙烯樹脂顆粒和碳纖維組成，原料混合是否均勻，對成型過程以及復(fù)合材料的性能影響很大，因此混料是很重要的一道工序。混料要達(dá)到的目的是使聚乙烯樹脂和碳纖維按照一定的比例均勻地相互分散開，從而得到性質(zhì)相對均勻的混合材料。本文采用人工攪拌的方法，將混合料按配方配制，然后勻速地輕輕地將料混勻，再持續(xù)攪拌10～15min；

注射成型：本文采用注射成型加工純聚乙烯樹脂、加入2%未處理碳纖維的聚乙烯混合料、加入4%未處理碳纖維的聚乙烯混合料、加入2%經(jīng)氧化處理過的碳纖維的聚乙烯混合料、加入4%經(jīng)氧化處理過的碳纖維的聚乙烯混合料等樣品，預(yù)熱和干燥時(shí)間為1～2h，溫度為80～100℃；機(jī)筒溫度從前段到后段分別為200～220、180～200、160～180℃，模具溫度為80～90℃，注射壓力為70～100MPa，螺桿轉(zhuǎn)速為48r／min。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

圖1 復(fù)合材料的制備工藝路線Fig.1 Processing route for preparation of the composites

按照GB／T 16799—1997對碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料以及純聚乙烯材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用的載荷類型是拉－拉載荷，試驗(yàn)波形為正弦波，加載頻率（f）為10Hz，應(yīng)力比（R）為0.1，載荷應(yīng)力分別為10、8、6、4、2MPa；每一種載荷力情況下在每一組中取3個(gè)試樣進(jìn)行疲勞測試，測定循環(huán)次數(shù)后求平均值（N），然后對所有疲勞循環(huán)次數(shù)N求對數(shù)即lgN。

2 結(jié)果與討論

2.1 短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的疲勞性能

從表1和圖2可知，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命增大。隨著外加交變載荷的減少，碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命在增加，碳纖維含量不同，但疲勞壽命（S－N）曲線走勢大致相似。從理論上講［9－12］，在疲勞裂紋的產(chǎn)生階段，隨著碳纖維含量的增加，聚乙烯與碳纖維界面增多，對裂紋的產(chǎn)生有利。在疲勞裂紋擴(kuò)展階段，碳纖維對復(fù)合材料疲勞裂紋的擴(kuò)展起阻滯作用，碳纖維含量越多，阻滯效果越明顯。

表1 樣品的lg NTab.1 lg Nof the samples

隨著聚乙烯樹脂基體中碳纖維含量的增加，應(yīng)力主要集中在聚乙烯與碳纖維的界面處，當(dāng)復(fù)合材料所受的應(yīng)力比聚乙烯跟碳纖維界面的黏結(jié)力大時(shí)將會(huì)有裂紋產(chǎn)生，且裂紋沿著碳纖維軸向方向擴(kuò)展，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的疲勞性能降低。

圖2 樣品的疲勞壽命曲線Fig.2 Fatigue life curves for the samples

本文中的碳纖維最大含量為4.021%，可能小于能夠使復(fù)合材料的疲勞性能降低的碳纖維含量臨界值，導(dǎo)致隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的疲勞壽命增加，不能滿足驗(yàn)證理論知識。對于金屬材料，我們把S－N曲線上循環(huán)次數(shù)的對數(shù)值為7時(shí)所對應(yīng)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。但是至今沒有確認(rèn)復(fù)合材料具有這一性質(zhì)，本文暫且在lgN＝3處畫一條平行于Y軸的直線，與所有曲線相交的點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值為該復(fù)合材料的條件疲勞極限。根據(jù)圖2可知，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料在循環(huán)數(shù)N＝103即循環(huán)次數(shù)對數(shù)值lgN＝3所對應(yīng)的最大應(yīng)力即條件疲勞極限值由純聚乙烯的2.379MPa逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時(shí)的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步減小，具體條件疲勞極限值如表2所示。

表2 碳纖維含量不同的復(fù)合材料的條件疲勞極限值Tab.2 Conditional fatigue limit of the samples with different contents of carbon fibers

2.2 短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的斷裂機(jī)理

碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞過程大致可分為疲勞裂紋的產(chǎn)生階段、疲勞裂紋的擴(kuò)展階段、材料的失效和斷裂階段等3個(gè)階段。在疲勞裂紋的產(chǎn)生階段，隨著碳纖維含量的增加，聚乙烯與碳纖維界面越多，對裂紋的產(chǎn)生越有利。在疲勞裂紋擴(kuò)展階段，如果疲勞裂紋的尖端擴(kuò)展至跟原裂紋擴(kuò)展方向不同的碳纖維表面，則裂紋的擴(kuò)展終止，這時(shí)只有裂紋擴(kuò)展方向改變或從聚乙烯樹脂基體中碳纖維被拔出之后，疲勞裂紋才會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，所以碳纖維對復(fù)合材料疲勞裂紋的擴(kuò)展起阻滯作用。隨著聚乙烯樹脂基體中碳纖維含量的增加，應(yīng)力主要集中在聚乙烯與碳纖維的界面處，當(dāng)復(fù)合材料所受的應(yīng)力比聚乙烯跟碳纖維界面的黏結(jié)力大時(shí)將會(huì)有裂紋產(chǎn)生，且裂紋沿著碳纖維軸向方向擴(kuò)展。所以，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的疲勞性能降低［13－15］。

如圖3所示，從微觀上看，雖裂紋擴(kuò)展速率不同但對應(yīng)的微觀斷裂機(jī)制都為韌窩斷裂，這表明疲勞裂紋斷裂前都承受了比較大的塑性變形，有疏松的銀紋狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。應(yīng)力強(qiáng)度因子比較大將使得裂紋尖端產(chǎn)生的塑性變形和銀紋結(jié)構(gòu)比較大，在交變載荷的作用下，分子鏈的斷裂加速了，從而引起裂紋的擴(kuò)展，結(jié)果是裂紋面上產(chǎn)生的韌窩形貌較為粗大。應(yīng)力強(qiáng)度因子較小將使得裂紋尖端產(chǎn)生的塑性變形區(qū)和銀紋結(jié)構(gòu)較小。在交變載荷作用下，這種較小的銀紋結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，繼而引起裂紋擴(kuò)展，所以宏觀上裂紋面較為平坦，微觀上韌窩較小。

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展裂紋尖端附近的疏松結(jié)構(gòu)Fig.3 Loose structure along the crack tip in fatigue crack propagation

3 結(jié)論

（1）隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命增加；隨著外加交變載荷的減少，碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命也增加；

（2）碳纖維含量不同的復(fù)合材料的S－N曲線走勢大致相似；隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料的條件疲勞極限值由純聚乙烯時(shí)的2.379MPa，逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時(shí)的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步減?。?/p>

（3）應(yīng)力強(qiáng)度因子比較大的交變載荷作用后的復(fù)合材料的韌窩形貌大，比較小的韌窩形貌小，裂紋面較為平坦。

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Study on Preparation and Fatigue Property of Short Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics Composites

SHENG Yonghua1，2，LI Li3

（1.School of Mechanical ＆Electrical Engineering，Guangzhou Panyu Polytechnic，Guangzhou 511483，China；2.College of Guangzhou City Construction，School of Mechanical ＆Electrical Engineering，Guangzhou 510925，China；3.Department of Mechanical and Electrical，College of Jiangxi Tourism ＆Commerce Professional，Nanchang 330100，China）

Thermoplastic composites of polyethylene and chopped carbon fiber were prepared via injection molding.The influence of carbon fiber content on the fatigue property of the composites was studied，and the fracture mechanism of the composites was analyzed.The lifespan of the composites was prolonged with increasing content of carbon fiber.

thermoplastics；short carbon fiber；composite；fatigue property；fatigue limit

TQ325

B

1001－9278（2012）05－0054－04

2011－11－28

聯(lián)系人，shengyh＠gzpyp.edu.cn

（本文編輯：劉 學(xué)）