PP／碳纖維紙夾芯“三明治”復合材料性能*

高軍，姚晨光，李術，蔣超杰，李梟

（合肥杰事杰新材料股份有限公司，合肥 230601）

?

PP／碳纖維紙夾芯“三明治”復合材料性能*

高軍，姚晨光，李術，蔣超杰，李梟

（合肥杰事杰新材料股份有限公司，合肥 230601）

摘要：以碳纖維紙（CFP）作為芯材，聚丙烯（PP）作為皮材，用平板硫化機熱壓制成PP–CFP–PP“三明治”式復合材料，并測試了復合材料的各項力學性能。結果表明，加入CFP后復合材料的力學性能總體上有所改善，針對不同PP基體、CFP對復合材料力學性能的改善方式有所不同，對基材本身強度／剛度小的復合材料增強／增剛效果明顯，而對于基材本身強度／剛度大的復合材料，加入CFP后其斷裂伸長率、無缺口沖擊強度提高明顯，同時復合材料的缺口沖擊強度有所降低。

關鍵詞：聚丙烯；碳纖維紙；夾芯；復合材料；力學性能

聯(lián)系人：高軍，工程師，碩士，主要從事高分子材料開發(fā)、應用及CAE研究

碳纖維（CF）是一種低密度、高強度、高模量和耐腐蝕性、導電性、傳熱性及阻燃性能良好的材料。近年來，CF以其優(yōu)異的力學性能和電學性能已被廣泛應用于航空、航天、核工業(yè)以及其它行業(yè)，其作為骨架與高分子材料共混而成的復合材料，具有質輕、高強度、高模量等優(yōu)異的性能現(xiàn)已廣泛用于汽車行業(yè)［1］。

碳纖維紙（CFP）是由碳纖維與其它纖維混合抄造而成，利用碳纖維優(yōu)異的導電功能在導電、防靜電、電磁波屏蔽等領域逐漸發(fā)揮巨大的優(yōu)勢［2］，利用其制備性能優(yōu)異的防靜電材料、電磁波屏蔽材料可應用于電子通信領域的防電磁輻射和抗電磁干擾等方面［3–5］，利用其優(yōu)異的導電性可應用在新能源領域［5–7］。

但目前為止，研究人員還只是把CFP作為一種功能性的材料來研究，把CFP作為復合材料載體從而研究其對材料力學性能的影響目前還未涉足。筆者通過把聚丙烯（PP）跟CFP復合加工成PP／CFP夾芯“三明治”復合材料（PPCS），研究CFP對復合材料力學性能的影響，從而探索其新的應用領域。

1　實驗部分

1.1主要原材料

PP：PPK7926，上海賽科石油化工有限責任公司；

PP粉：075，安徽天大（集團）股份有限公司；

增容劑：PP–G，廣州合誠化學有限公司；

CFP：日本東麗公司，0.2 mm厚度，由含量25%的碳纖維［8］與植物纖維（漂白針葉木漿）混合抄造而成。

1.2儀器與設備

平板硫化機：0.25MN型，上海齊才液壓機械有限公司；電子萬能試驗機：CMT4204型，深圳新三思材料檢測有限公司；

簡支梁沖擊試驗機：HIT5.5型，德國Zwick集團；

模具：A型300 mm×300 mm×2 mm、B型：300 mm×300 mm×4 mm，鋼質凹形模具，自制。

1.3試樣制備

考慮到PP是典型的非極性聚合物，而CFP主要成分是CF，如將兩者直接共混熔融加工，非極性的PP跟CF之間相容性不好，兩者結合界面的強度不高，不利于復合材料性能的提高。筆者選用PP–G是一種典型的用于PP的馬來酸酐接枝增容劑，可使PP具有較高的極性和反應性，能提高PP與其它填料的相容性，從而提高復合材料的力學強度。

按照表1的配方，將95份PP、5份PP–G通過高速混合機混合均勻，將混合物放入A型模具內、放置于平板硫化機上加熱，溫度控制在210℃內，時間控制在3 min內，熱熔融壓力在3 MPa之內，制成2 mm厚度PP接枝復合物板。

表1　試驗配方 份

*表示加入1張0.2 mm厚度的CFP。

將上述方法制成的一塊2 mm厚PP接枝復合物板置于B型模具內，然后將1張300 mm×300 mm×0.2 mm的CFP平鋪在PP接枝復合物板上，再把一塊2 mm厚PP接枝復合物板平鋪于CFP上，最后將模具放置于平板硫化機上加熱，溫度控制在210℃內，時間控制在3 min內，熱熔融壓力在3 MPa之內，制成4 mm厚度PPCS，其工藝流程如圖1所示。PPCS的示意圖如圖2所示。

圖1　試樣的工藝流程圖

1.4性能測試與表征

狀態(tài)調節(jié)按照ISO 291–2008測試；

拉伸性能按照ISO 527–2012測試；

圖2　PPCS示意圖

彎曲性能按照ISO 178–2010測試；

沖擊性能按照ISO 179–2010測試；

將制備好的4組試樣按ISO標準尺寸裁成標準試樣，在ISO 291–2008要求的環(huán)境下狀態(tài)調節(jié)，每組5根試樣，取平均值。

2　結果與討論

2.1CFP對PPK7926力學性能的影響

表2是以PPK7926為基材的2#試樣與1#試樣的力學性能對比。由表2可看出，2#試樣的拉伸強度比1#試樣的提高了26.37%；2#試樣比1#試樣的彎曲強度提高了19.47%；2#試樣的拉伸彈性模量比1#試樣的提高了27.22%，2#試樣的彎曲彈性模量比1#試樣的提高了11.35%。

2#試樣是以PPK7926為基材的PPK7926–PPCS，由于PP以PP–G做為增容劑，因此在PP與CF之間具備了一定界面強度，當PPCS受到外部載荷作用時，PP與CF界面將皮層PP產(chǎn)生的應力傳遞給CF，而CF正是應用了其本身高強度、高模量承受應力載荷的特點，使PP不能承載的負荷／能量分擔到支撐的CF上［9–11］，同時，CFP中CF的網(wǎng)狀交織狀態(tài)使得CF上的應力被迅速擴散出去，所以其PP／CF復合材料的強度、模量提高。

表2　PPK7926，PPK7926–PPCS力學性能對比

由表2看出，2#試樣的斷裂伸長率變化不大，2#試樣的缺口沖擊強度比1#試樣的下降了25.14%，無缺口沖擊強度提高了8.57%。

PPK7926–PPCS的斷裂伸長率與PPK7926相比變化不大，這說明整個復合材料的柔韌性并沒有得到較大改善。復合材料受到外部載荷后產(chǎn)生響應，聚合物的分子鏈構象發(fā)生變化，如果分子鏈本身具備很好的柔性，那么材料宏觀上就表現(xiàn)出較大的變形和延伸能力，即斷裂伸長率較大。PPK7926的自身斷裂伸長率并不大，通過與CFP復合，由于存在不同相、以及相與相之間的結合界面，并且CFP只是居于整個復合材料的中間位置，并沒有均勻地分散到整個復合材料的內部，所以對復合材料整體柔韌性影響并不大。

PPK7926–PPCS復合材料較PPK7926的缺口沖擊強度下降較多，這說明作為夾芯材料的CFP的平面抗張能力較弱，這一點也跟CFP的本身力學性能相符［3，12］。試樣缺口的CFP暴露于外，受到外部載荷沖擊［13］，由于CFP中CF跟CF之間沒有較強的相互作用力、更多是依靠纖維之間有效分散后交織在一起［3–4，8，12，14–16］，所以很容易被撕裂，導致復合材料從CFP區(qū)域更容易出現(xiàn)破壞，從而降低了PP7926–PPCS的缺口沖擊強度。

能量是作用力與距離的乘積，作為夾芯材料的CFP中纖維是呈網(wǎng)狀交織在一起，當PPK7926–PPCS的無缺口試樣在受沖擊后變形，網(wǎng)狀的CF會被拉伸、變形，斷裂時斷面向外延伸的形變增大，消耗的斷裂能量多，反映出復合材料的韌性提高，最終PPK7926–PPCS復合材料的無缺口沖擊強度提高。

由以上看出，以PPK7926為基材的PPK7926–PPCS復合材料的強度、剛度都得到較大的提高，而延伸性變化幅度不大，缺口沖擊強度降低很多。

2.2CFP對PP粉075力學性能的影響

表3示出以PP粉075為基材的3#試樣與4#試樣力學性能的對比。由表3看出，4#試樣的斷裂伸長率比3#試樣的提高達33.85%；4#試樣的無缺口沖擊強度比3#試樣的提高了16.02%。

以PP粉075為基材的4#試樣的斷裂伸長率大幅度提高，從宏觀角度看，當PP粉075–PPCS試樣受到外部載荷作用發(fā)生變形時，作為夾芯材料的CFP有擴張、延伸、撕裂的行為，這些都都有助于復合材料的斷裂伸長率的提高。從分子層面理解，材料受到外部載荷后產(chǎn)生響應，聚合物的分子鏈構象發(fā)生變化需要一個時間歷程，分子鏈本身具備較好的柔性，會有充足的時間發(fā)生變化。經(jīng)過PP–G接枝的PP跟CF有較好的兩相界面結合能提高復合材料的斷裂伸長率，而且PP粉075本身的斷裂伸長率高于PPK7926，在受到外部載荷作用后能夠比PPK7926有更多的時間發(fā)生分子鏈構象變化，最終使得4#試樣的斷裂伸長率有較大提高。

4#試樣的無缺口沖擊強度較3#試樣的提高16.02%。這是因為PPCS中CF在材料受到?jīng)_擊行為后被拉伸、變形，緩沖了外部載荷對復合材料的沖擊，且基材PP粉075–PPCS其本身基材強度／剛度較高，即沖擊行為中作用力較大，試樣被破壞消耗更多的能量，所以反映出無缺口沖擊強度提高得比以PPK7926為基材的PPK7926–PPCS提高得更多。

表3　PP粉075，PP粉075–PPCS力學性能的對比

由表3看出，4#試樣的拉伸強度、拉伸彈性模量、彎曲強度、彎曲彈性模量變化不大，其中4#試樣的拉伸彈性模量較3#試樣的提高11.29%。

由以上看出，對基材本身強度／剛度較小的2#試樣，CFP在復合材料中的CF承擔更多的力學載荷，作用更顯著，從而使PPK7926–PPCS復合材料的強度、模量有較顯著的提高。相對于對基材本身強度／剛度較大的4#試樣即PP粉075–PPCS復合材料，盡管也提高了復合材料的強度，但是由于PP 粉075自身也有較大強度，所以分擔給CF的載荷并不多，故整體復合材料的強度、模量提高幅度較小。

PP粉075為基材的4#試樣的缺口沖擊強度變化與以PPK7926為基材的2#試樣一樣，都是比基材降低，這說明PPCS對缺口的確較為敏感，不同之處是降低幅度沒有2#試樣大。分析其原因是經(jīng)過PP–G接枝的PP粉075跟CF有較好的界面粘合能力，PP粉075沖擊行為中作用力較大，盡管也容易從CFP區(qū)域出現(xiàn)破壞，但是與PPK7926相比需要被破壞時消耗更多的能量，所以才導致缺口沖擊強度比2#試樣的下降幅度少一些。

3　結論

無論是PPK7926、還是PP粉075為基材的PPCS復合材料的力學性能均有變化，總體趨勢是有所改善。

（1）對基材本身強度／剛度小的PPK7926比PP粉075，其PPCS的增強／增剛效果明顯；

（2）對基材本身強度／剛度大的PP粉075比PPK7926，其PPCS的斷裂伸長率、無缺口沖擊強度提高明顯；

（3） 加入PPCS后復合材料的缺口沖擊強度有所降低，其中以PP粉075為基材的降低幅度小于以PPK7926為基材的。

參 考 文 獻

［1］ 黃碩，王亮，陳超.我國碳纖維復合材料在汽車上的應用趨勢和建議［J］.中國材料科技與設備，2015（3）:59–62.

Huang Shuo， Wang Liang， Chen Chao. Application and prospect of carbon fiber composite material in the automotive［J］. Chinese Materials Science Technology & Equipment，2015（3）:59–62.

［2］ Sha Jianjun，Dai Jixiang，Li Jian，et al. Influence of thermal treatment on thermo-mechanical stability and surface composition of carbon fiber［J］. Applied Surface Science，2013，274（1）:89–94.

［3］ 鐘林新，張美云，彭新文.碳纖維紙的力學性能［J］.紙和造紙，2009，28（3）:18–21.

Zhong Linxin，Zhang Meiyun，Peng Xinwen. Mechanics properties of carbon fiber paper［J］. Paper and Paper Making，2009，28（3）:18–21.

［4］ 龐志鵬，孫曉剛，程曉圓，等.碳纖維–碳納米管復合導電紙的制備及電磁屏蔽性能研究［J］.人工晶體學報，2015，44（5）:1 314–1 319.

Pang Zhipeng，Sun Xiaogang，Cheng Xiaoyuan，et al. Preparation and EMI shielding performance of carbon fiber-carbon nanotubes composite conductive paper［J］. Journal of Synthetic Crystals，2015，44（5）:1 314–1 319.

［5］ 施云舟，王彪.碳纖維導電紙的研究現(xiàn)狀及其應用［J］.化工新型材料，2014，42（4）:192–194.

Shi Yunzhou，Wang Biao. Research progress and application of carbon fiber reinforced conductive paper［J］. New Chemical Materials，2014，42（4）:192–194.

［6］ 魯學林，王鈞，徐任信，等.碳纖維導電紙及其復合材料的開發(fā)與應用［J］.高科技纖維與應用，2008，33（4）:30–35.

Lu Xuelin，Wang Jun，Xu Renxin，et al. Development and application of conductive carbon fiber paper and its composites［J］. Hi-Tech Fiber & Application，2008，33（4）:30–35.

［7］ 黃鴻，黃鯤.碳纖維復合材料與碳纖維紙生產(chǎn)工藝［J］.中華紙業(yè)，2014，35（8）:6–12.

Huang Hong，Huang Kun. Carbon fiber composite materials and carbon fiber paper technology［J］. China Pulp & Paper Industry，2014，35（8）:6–12.

［8］ 張美云，鐘林新，陳均志.碳纖維導電屏蔽紙的研制［J］.中國造紙，2010，29（增刊）:8–10.

Zhang Meiyun，Zhong Linxin，Chen Junzhi. Research on the conductive and shielding carbon fiber paper［J］. China Pulp & Paper，2010，29（s1）:8–10.

［9］ 菅原壽秀，馬圖勞穆迪蘇查麗妮，濱田泰以，等.單向碳纖維增強復合材料的力學性能分析［J］.纖維復合材料，2013（4）:23–26.

Sugahara Toshi，Mathurosemontri Suchalinee，Hamada Hiroyuki，et al. Data base of mechanical properties of unidirectional carbon fiber-reinforced polymer composites［J］. Fiber Composites，2013（4）:23–26.

［10］ 于麗娟.碳纖維／環(huán)氧樹脂預浸料及其復合材料的成型工藝和力學性能［D］.上海:東華大學，2013.

Yu Lijuan. Manufacturing techniques and mechanical behaviors of carbon fiber／epoxy prepreg and composites［D］. Shanghai:Donghua University，2013.

［11］ El-Dessouky H M， Lawrence C A. Ultra-lightweight carbon fiber／thermoplastic composite material using spread tow technology［J］. Composites Part B:Engineering，2013，50（7）:91–97.

［12］ 李紅斌，房桂干，鄧擁軍，等.碳纖維紙的制備及其勻度表征［J］.中華紙業(yè)，2015，36（6）:6–9.

Li Hongbin，F(xiàn)ang Guigan，Deng Yongjun，et al. The preparation of carbon fiber paper and its formation characterization［J］. China Pulp & Paper Industry，2015，36（6）:6–9.

［13］ 汪慶桃，張慶明，賈培德.超高速碰撞碳纖維增強復合材料的數(shù)值模擬［C］∥第九屆全國沖擊動力學學術會議論文集.焦作:［出版者不詳］，2009:881–884.

Wang Qingtao，Zhang Qingming，Jia Peide. Simulation for woven CFRP laminate subjected to hypervelocity impact［C］∥ The 9th Symposium of National Conference on Impact Dynamics. Jiaozuo:［S.l.］，2009:881–884.

［14］ 鐘林新，張美云，陳均志，等.碳纖維導電紙導電性能影響因素的研究［J］.中國造紙，2008，27（4）:1–4.

Zhong Linxin，Zhang Meiyun，Chen Junzhi，et al. Factors affecting the conductive properties of the carbon fiber conductive paper［J］. China Pulp & Paper，2008，27（4）:1–4.

［15］ 胡志軍，萬家樂，張學金，等.增強劑對碳纖維紙性能影響的研究［J］.中國造紙，2015，34（2）:5–8.

Hu Zhijun，Wan Jiale， Zhang Xuejin，et al. Study on the effect of strength additives on the performance of carbon paper［J］. China Pulp & Paper，2015，34（2）:5–8.

［16］ 裴浩，張學軍，沈曾民，等.碳纖維紙的組成優(yōu)化及其結構表征［J］.北京化工大學學報，2008，35（3）:49–54.

Pei Hao， Zhang Xuejun， Shen Zengmin， et al. Component optimization and characterization of carbon fiber paper［J］. Journal of Beijing University of Chemical Technology，2008， 35（3）: 49–54.

Properties of PP／Carbon Fiber Paper Sandwich Composites

Gao Jun， Yao Chenguang， Li Shu， Jiang Chaojie， Li Xiao
（Hefei Genius Advanced Material Co. Ltd.， Hefei 230601， China）

Abstract：Applying plate vulcanization machine，PP／carbon fiber paper sandwich composites were prepared through hot pressing，the core material was made of carbon fiber paper，and PP was used to be as wall material. The mechanical properties of the composites were tested. The results show that the mechanical properties are improved in different manner because of different PP matrix. The strength／stiffness of composites which are made of low strength／stiffness matrix is improved obviously. The elongation at break and unnotched charpy impact of composites which are made of high strength／stiffness matrix are improved obviously， but the charpy notched impact strength of composites is reduced.

Keywords：polypropylene； carbon fiber paper； sandwich；composite； mechanical property

中圖分類號：TQ327.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）05-0023-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.006

收稿日期：2016-02-17

*國家科技支撐項目（2013BAE02B00）