聚丙烯腈基預氧絲氈復合材料的力學性能研究

劉元軍，趙曉明，拓 曉

（天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387）

聚丙烯腈基預氧絲氈復合材料的力學性能研究

劉元軍，趙曉明，拓 曉

（天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387）

為了制備拉伸和彎曲性能良好的聚丙烯腈基預氧絲氈/環(huán)氧樹脂復合材料，研究了聚丙烯腈基預氧絲氈含量和固化溫度對復合材料拉伸和彎曲性能的影響，優(yōu)化出力學性能最佳的聚丙烯腈基預氧絲氈/環(huán)氧樹脂復合材料制備方法，并拍攝了復合材料拉伸斷口的SEM圖像.研究表明：當聚丙烯腈基預氧絲氈含量為15%時，其縱向和橫向的拉伸斷裂載荷達到最大值，分別為1 643.73和1 235.72 MPa；同時縱向和橫向彎曲強度也達到最大值，分別為64.39和53.06 MPa；復合材料的SEM圖像顯示，縱向拉伸斷口處有少量裸露纖維，其分布方向與針刺氈鋪網方向一致.

聚丙烯腈基預氧絲氈；環(huán)氧樹脂；復合材料；力學性能

復合材料，是指由兩種或兩種以上性質不同的材料如金屬、陶瓷及高分子材料等，通過物理或化學等制備工藝制備的多相材料.為滿足汽車制造業(yè)、航空航天等高端技術的需求，科學家們研制和生產出許多高模量、高強度纖維，如芳綸纖維、石墨纖維、碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維等.隨后以上述高性能纖維為增強體的復合材料也相繼問世［1］.隨著經濟的發(fā)展，復合材料將會替代大部分傳統(tǒng)材料，應用到更多領域［2］.預氧絲是碳纖維制作環(huán)節(jié)中間產品，其價格比碳纖維低，但預氧絲纖維呈現脆性、纖維與纖維之間抱合力差、卷曲少、成條困難、強力低、紡紗和織造過程中斷頭率高，不能作為復合材料增強體.為了克服該缺點，利用層疊針刺法將預氧絲纖維網胎和預氧絲布交替疊層后針刺制得預氧絲氈，此類型氈增加了X-Y向連續(xù)纖維含量，有效避免了產品在生產及熱試車過程中發(fā)生軸向開裂，明顯提高了預氧絲制品的拉伸和彎曲性能［3-6］；另外，預氧絲氈具備輕質、柔軟、吸水性好、紡織加工性好等特點，可廣泛應用于各種保溫材料等［7-10］.本實驗研究了聚丙烯腈基預氧絲氈質量分數和固化溫度對復合材料拉伸和彎曲性能的影響，制備出具有良好拉伸和彎曲性能的聚丙烯腈基預氧絲氈復合材料.

1 實 驗

1.1 材料和試劑

聚丙烯腈基預氧絲氈（克重：300 g/m2，由南通東麗邦碳纖維有限公司提供），低分子650聚酰胺樹脂（由杭州五會港膠粘劑有限公司提供），環(huán)氧樹脂（E-44型，由中石化巴陵石化分公司提供）等.

1.2 實驗儀器

塑料制品液壓機（Y/TD71-45A型，天津市天鍛壓力機有限公司），環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quam ta200型，捷克FEI公司），Instron萬能強力儀（3369型，美國Instron公司），電熱恒溫水浴鍋（雙列四孔型，天津市中環(huán)實驗電爐有限公司），真空干燥箱（DZF-6020型，鞏義市予華儀器有限責任公司），電子分析天平（AE200型，梅特勒-拖利多儀器上海有限公司），電動攪拌機（JJ-1型，江蘇金壇市中大儀器廠），烘箱（YG747型，南通宏大實驗儀器有限公司）等.

1.3 復合材料制備工藝

1.3.1 基體的制備

1）稱取環(huán)氧樹脂基體，加入相對基體質量15%的無水乙醇進行稀釋.

2）按基體：固化劑=2∶1的比例加入聚酰胺650固化劑.

3）攪拌至均勻，待用.

實驗所用的樹脂基體配方如表1所示.

表1 樹脂基體配方（質量分數/%）

1.3.2 聚丙烯腈基預氧絲氈的預處理

將聚丙烯腈基預氧絲氈無紡布裁剪成20 mm× 9 mm的試樣，放入體積分數為2%的無水乙醇溶液中浸漬洗滌10 min，然后，將試樣80℃烘30 h.

1.3.3 制備流程

利用針刺工藝得到的聚丙烯腈基預氧絲氈作為復合材料增強體，聚丙烯腈基預氧絲氈具有很好的空隙效果、滲透性、延伸性，易于模壓成型.利用聚丙烯腈基預氧絲氈的這些特點，采用簡單低成本的復合材料成型法，手糊浸潤法將聚丙烯腈基預氧絲氈基材和環(huán)氧樹脂基體復合.將調配好的環(huán)氧樹脂在室溫條件下采用手糊法讓樹脂充分浸潤，由于稀釋過后的環(huán)氧樹脂流動性很好，因此，模壓前要在一定溫度下固化一段時間，防止模壓時樹脂基體的過多流失.

制備流程如下：

1）聚丙烯腈基預氧絲基材的前處理；

2）環(huán)氧樹脂基體的制備；

3）環(huán)氧樹脂基體手糊浸潤聚丙烯腈基預氧絲基材；

4）裝模，預固化；

5）壓制，脫模.

1.3.4 模壓工藝流程

1）零壓60℃保溫預固化1 h；

2）90℃，壓力5 MPa壓制60 min；

3）定時卸壓；

4）升溫到130℃，壓制30 min；

5）保壓冷卻；

6）140℃固化2 h；

7）脫模.

1.4 測試方法

1.4.1 拉伸性能

拉伸性能測試利用Instron萬能材料試驗機，參照GB1447—2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法［11-16］.

1.4.2 彎曲性能

彎曲性能測試利用Instron萬能材料試驗機，參照GB1449—2005纖維增強塑料彎曲性能測試方法［11-16］，測試方法為三點彎曲法，加載方式如圖1所示.

圖1 加載方式

1.4.3 電鏡性能

電鏡測試利用環(huán)境掃描電子顯微鏡，參照JB/T 6842—93實驗方法測試.

2 結果與討論

2.1 制備工藝條件對拉伸和彎曲性能的影響

2.1.1 基材含量對拉伸和彎曲性能的影響

為了探究基材質量分數對復合材料拉伸和彎曲性能的影響，設計了5組實驗，參數如表2所示.

表2 實驗方案參數

不同聚丙烯腈基預氧絲氈含量（質量分數）對復合材料拉伸和彎曲性能影響的測試結果如圖2所示.由圖2可以看出，當聚丙烯腈基預氧絲氈含量為15%時復合材料的力學性能最好，其縱向和橫向的拉伸斷裂載荷達到最大值，分別為1 643.73和1 235.72 MPa；同時縱向和橫向彎曲強度也達到最大值，分別是64.39和53.06 MPa.而當聚丙烯腈基預氧絲氈含量大于15%時，隨著聚丙烯腈基預氧絲氈比重的增加，復合材料力學性能逐漸減弱.為了解釋其原因，引入纖維增強樹脂基復合材料受力模型進行分析.纖維增強樹脂基復合材料的受力模型如圖3所示.

圖2 不同聚丙烯腈基預氧絲氈含量對復合材料拉伸和彎曲性能的影響

圖3 纖維增強樹脂基復合材料受力模型示意圖

當聚丙烯腈基預氧絲氈增強體與樹脂基體結合良好且沒有相對滑移時，受到外力F作用時，增強體纖維和樹脂基體產生相同應變ε，則復合材料受到拉伸應力σc為

式中：σf和σm分別是增強體纖維和樹脂基體所承受的應力；Ef和Em分別表示纖維模量和樹脂基體模量.顯然Ef?Em，故σf?σm.因此，可以得出，當復合材料承受外力作用時，纖維增強體將承擔大部分外加載荷.由此結論可以得出，當聚丙烯腈基預氧絲氈質量分數過小時，復合材料中主要承受外載荷的增強體纖維過少，導致復合材料整體力學性能較差.當聚丙烯腈基預氧絲氈質量分數超過15%時，樹脂含量相對減少，基體無法充分浸透纖維氈，導致增強體與樹脂之間粘結強度不足，承受外力時樹脂易與纖維脫落，從而降低了復合材料的力學性能.

2.1.2 固化溫度對力學性能的影響

為了探究固化溫度對復合材料力學性能的影響，設計了5組實驗，分別在室溫、60、100、140、180℃條件下對復合材料進行固化實驗，對比實驗方案參數如表3所示.

各組實驗復合材料力學性能測試如圖4所示.由圖4可以看到，隨著溫度升高，復合材料力學性能提高.當溫度低于100℃時，復合材料力學性能的變化速率比高于100℃時變化明顯.即相同固化時間里，在一定范圍內固化溫度越高則試樣固化越充分，試樣力學性能越好.

表3 實驗方案參數

圖4 不同固化溫度對復合材料彎曲和拉伸性能的影響

2.2 復合材料拉伸斷口的SEM圖像

圖5是復合材料在擴大280倍的掃描倍數下拍攝的聚丙烯腈預氧絲復合材料縱向拉伸斷口形貌.

圖5 復合材料縱向拉伸斷口形貌的SEM圖像

由圖5可以看出，在縱向拉伸斷口處有少量裸露纖維，其分布方向與針刺氈鋪網方向一致，即與復合材料拉伸斷裂方向一致.當聚丙烯腈基預氧絲氈復合材料承受拉應力時，纖維受力方向與復合材料拉伸方向基本一致，因此，能夠承受大部分環(huán)氧樹脂基體的傳遞載荷，具有優(yōu)異的拉伸和彎曲性能.另外，環(huán)氧樹脂基體呈現較明顯的拉伸狀，呈層片狀包覆在聚丙烯腈預氧絲纖維基材周圍，說明在拉伸過程中環(huán)氧樹脂基體也承受了部分拉應力，復合材料最終因大部分的基材與基體脫粘而發(fā)生斷裂.

3 結 論

本實驗以環(huán)氧樹脂為基體，以聚丙烯腈基預氧絲氈為增強體，制備出具有良好拉伸和彎曲性能的聚丙烯腈基預氧絲氈復合材料.聚丙烯腈基預氧絲氈含量為15%時，其縱向和橫向的拉伸斷裂載荷達到最大值，分別為1 643.73和1 235.72 MPa；同時縱向和橫向彎曲強度也達到最大值，分別是64.39和53.06 MPa.當聚丙烯腈基預氧絲氈含量為15%、固化溫度為180℃時，制備的復合材料拉伸和彎曲性能最佳.

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（編輯 呂雪梅）

Study on the mechanical properties of PAN-based pre-oxidized fiber felt composite material

LIU Yuanjun，ZHAO Xiaoming，TUO Xiao

（College of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to prepare PAN-based pre-oxidized fiber felt composite materials with good tensile and bending properties，effects of the content of PAN-based pre-oxidized fiber felt and the curing temperature on their properties were studied to optimize the preparation method of epoxy resin composite materials.And tensile fracture surfaces were investigated using SEM images.Results showed that the longitudinal and transverse tensile breaking load reached maximum values with 1 643.73 MPa and 1 235.72 MPa respectively when the mass of PAN-based pre-oxidized fiber is 15%of that of epoxy resin.Meanwhile，the longitudinal and transverse bending strength reached the maximum values of 64.39 MPa and 53.06 MPa，respectively.SEM images of composite material showed a little bare fiber remained on the longitudinal tensile fracture surfaces，and the direction of the distribution of fiber was identical to the net of needled felt.

PAN-based pre-oxidized fiber felt；epoxy；composites；mechanical properties

TB322

A

1005-0299（2015）06-0082-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150615

2015-04-28.

國家自然科學基金資助項目（51206122）.天津應用基礎與前沿技術研究計劃項目（13JCQNJC03000）；2015年天津工業(yè)大學研究生科技創(chuàng)新活動計劃資助項目（15101）.

劉元軍（1986—），女，博士.

趙曉明，E-mail：texzhao@163.com.