三維編織碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料特性研究

【摘要】本文主要介紹了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，分析了三維編織碳纖維的編織技術(shù)與成型工藝，并對三維編織碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的磨損性與吸濕性進行了詳細地討論。

【關(guān)鍵詞】三維編織碳纖維；復(fù)合材料；磨損性；吸濕性

一、引言:

三維編織碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（C3D/EP）是由環(huán)氧樹脂的基體與四步 1×1 法編織而成的增強體復(fù)合在一起而組成，此材料的整體強度有了顯著的加強。復(fù)合材料在航空航天、民用裝備以及化學(xué)工藝等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，一般應(yīng)用在一些復(fù)雜與嚴酷的環(huán)境，因此其具有特定的制作過程與應(yīng)用背景，本文對其編織與成型工藝進行了討論，并分析了其磨損性與吸濕性。

二、碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料

（一）樹脂基體與碳纖維

在樹脂基復(fù)合材料中起粘結(jié)作用的是主要是樹脂基體，樹脂基體與增強材料一起構(gòu)成復(fù)合材料。樹脂的性能一般會直接影響復(fù)合材料的各項性能與加工工藝性能。碳纖維復(fù)合材料的性能伴隨著碳纖維性能的不斷提高和拓展而提高，所以碳纖維對于復(fù)合材料的優(yōu)越性能是非常重要的。碳纖維由碳化有機纖維經(jīng)過階段性的熱處理制成，其具有耐高溫、抗拉強度高、彈性模量大且質(zhì)量很輕的特點。

（二）C3D/EP

利用三維編織技術(shù)進行復(fù)合材料的制作，在保持材料整體性的同時又彌補了層合板復(fù)合材料層間強度與剛度不能滿足需要帶來的缺陷，從而很明顯地提高了材料的整體強度、剛度與綜合性能。先進復(fù)合材料可以根據(jù)需要自由設(shè)計性能，且其強度與模量高，這種優(yōu)越的性能使其在航空航天與武器裝備等的主體結(jié)構(gòu)之中得到了廣泛的應(yīng)用，很大程度上促進了結(jié)構(gòu)的輕量化與小型化，從而大大地提高了性能。在復(fù)合材料的使用中，三維編織纖維作為增強體的整體結(jié)構(gòu)材料，能夠大大提高抗沖擊損傷性能，增強其厚度方向強度，為先進復(fù)合材料開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)。近年來編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在很多高科技領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如汽車結(jié)構(gòu)、體育道具、工業(yè)裝備以及國防領(lǐng)域等。

三、C3D/EP工藝

（一）C3D/EP編織工藝

C3D/EP的編織工藝有多種方法，主要有四步法、二步法、多層聯(lián)結(jié)編織法以及多步法等，目前使用最普遍的兩種方法是四步法與二步法。在材料的編織過程中，其可十分準(zhǔn)確地在平面上沿著提前設(shè)定的軌跡移動，從而使各纖維能夠相互交叉與交織，進而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，最后則是打緊交織面，從而構(gòu)成多種類型的增強結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)。

（二）C3D/EP成型工藝

編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的成型工藝主要包括RTM工藝、熱塑性樹脂基體編織復(fù)合材料法與真空浸漬法等。目前比較常用的是RTM 工藝和真空浸漬法。RTM 工藝過程是把預(yù)成型的增強體放在密封的模具中，在真空條件下樹脂被放入模腔從而凝固成型。真空浸漬法是在真空狀態(tài)下，使纖維編織物沉于樹脂中浸漬從而固化成型的一種工藝，其主要適用于制造體積與尺寸精度要求不高的制作。

四、C3D/EP重要特性研究

（一）C3D/EP磨損性研究

碳纖維是C3D/EP最常用的增強材料，其具有質(zhì)量輕、強度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕的特性。采用RTM工藝制備C3D/EP，研究C3D/EP的磨損特性，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）C3D/EP需要長時間的磨合期，至少需要30分鐘后才能進入比較穩(wěn)定的磨損階段。

（2）C3D/EP的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率一直降低，滑動速度增加可以使磨損率降低。

（3）C3D/EP的磨損特性與磨損條件有一定的關(guān)系，低速低載C3D/EP磨損特性以疲勞為主，高速高載時主要為黏著磨損。

（二）C3D/EP吸濕性研究

吸濕性對應(yīng)用日益廣泛的三維編織復(fù)合材料來說具有十分重要的作用，對無論長與短的纖維復(fù)合材料的研究都表明，在使用和儲存復(fù)合材料過程中都會造成其性能發(fā)生一定程度的變化，這是由于濕熱環(huán)境的影響。對吸濕行為以及力學(xué)性能的穩(wěn)定性的研究具有重要的現(xiàn)實意義，聚合物復(fù)合材料的吸濕過程包括基體吸濕和界面吸濕兩個過程，基體吸濕會導(dǎo)致新孔隙和裂紋的產(chǎn)生，水分子進入孔隙、裂紋等缺陷形成的孔洞或者基體內(nèi)的自由空間。水分子擴散不僅會在毛細作用下沿界面快速滲透并擴散，還會進入基體，從而與界面上的極性基團組成氫鍵和范德華鍵，進而破壞纖維與基體間的化學(xué)鍵作用。以上這些都會減弱界面的粘結(jié)作用最終導(dǎo)致脫粘并形成界面孔隙，使界面之間的粘度和強度減弱，這些已被廣泛證實。其主要結(jié)論為：

（1）與基體環(huán)氧樹脂不同，C3D/EP的吸水行為有自身的特點，其不能用 Fick 擴散定律進行原理上的解釋。

（2）吸濕過程中C3D/EP復(fù)合材料力學(xué)性能不同，其高低主要是由吸濕率的大小所決定的，比起加應(yīng)力的C3D/EP復(fù)合材料，未加應(yīng)力的在吸濕初期力學(xué)性能的下降速率低，后期則恰恰相反；此外，加應(yīng)力復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)生變化時，其變化值將會高于未加應(yīng)力的復(fù)合材料。

五、結(jié)語：

C3D/EP是近期發(fā)展起來的一種新型高性能復(fù)合材料。近年來，有關(guān)長碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能如摩擦、壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)和疲勞等方面的研究相對較多，但是關(guān)于三維編織復(fù)合材料磨損性能及其濕熱條件下的吸濕行為的研究相對較少。C3D/EP的磨損性與吸濕性是其重要特性，對其研究具有十分重要的理論價值與現(xiàn)實意義。

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