粉末廢料/樹脂基多軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能研究

聶小林，馬丕波

(江南大學(xué)教育部針織工程技術(shù)研究中心，江蘇無錫 214000)

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粉末廢料/樹脂基多軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能研究

聶小林，馬丕波

(江南大學(xué)教育部針織工程技術(shù)研究中心，江蘇無錫 214000)

研究在制備玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料時，通過加入了碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的粉末廢料，目的是提高新復(fù)合材料的力學(xué)性能。對新制備的復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能進(jìn)行了測試分析。結(jié)果表明，在一定的比例范圍內(nèi)加入粉體的廢物可以提高新復(fù)合材料的力學(xué)性能。

力學(xué)性能 粉末廢料 樹脂基多軸向經(jīng)編復(fù)合材料 回收 玻璃纖維

由于具有低密度，高模量，易成型和韌性好等特點(diǎn), 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域[1]。使用CFRP制作汽車的外殼可以減輕車身重量[2]，這可以減少燃油使用量；復(fù)合材料這種新型的材料已經(jīng)逐漸主導(dǎo)材料,復(fù)合材料的使用和發(fā)展極大地促進(jìn)了航天工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步[3]，它不僅可以有很輕的重量，其優(yōu)良的機(jī)械性能也可以更好的適應(yīng)太空的惡劣環(huán)境，在日常生活中CFRP也有應(yīng)用于人體醫(yī)用領(lǐng)域，人體假肢[4]也有取材于CFRP。但是CFRP的快速發(fā)展和大量使用會產(chǎn)生許多工業(yè)廢料，回收和再利用這些廢料可以減輕環(huán)境分解廢料的壓力，利用廢料粉末重新加入樹脂混合的辦法還可以再次實(shí)現(xiàn)其使用價值[5]?；厥諒U舊復(fù)合材料的方法主要有填埋法，物理法，熱解法和溶劑法[6]。填埋法對環(huán)境污染比較嚴(yán)重而且分解時間緩慢；熱解法能耗高不易控制；溶劑法對實(shí)驗(yàn)材料性能要求比較嚴(yán)苛；而物理法主要是將廢料碾磨成粉末，具有工藝簡單，無污染物的優(yōu)點(diǎn)。在此之前，有碳納米管加入樹脂制備復(fù)合材料的方法[7],這為復(fù)合材料粉末加入樹脂提供了參考依據(jù)。還有將二氧化硅納米顆粒摻入到環(huán)氧樹脂中的研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米顆粒對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料纖維-基體界面結(jié)合強(qiáng)度沒有負(fù)面影響[8-10]。本文涉及的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用物理碾磨的方法，將復(fù)合材料廢料碾磨成粉末，加入到酚醛樹脂當(dāng)中，用多軸向經(jīng)編玻璃纖維織物作為增強(qiáng)體制備含CFRP粉末的復(fù)合材料，對該系列復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械性能測試，通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期達(dá)到機(jī)械性能提升的目的。

1 樣品和制備工藝

1.1 材料準(zhǔn)備

粉末廢料是從碳纖維增強(qiáng)酚醛樹脂基復(fù)合材料的研磨過程中收集的，在制備新的復(fù)合材料時，廢料粉末將會加入到酚醛樹脂中。研磨在一個封閉的罩子下進(jìn)行，這樣的好處是會避免粉末飛散到空氣中和粉末被污染。粉末被收集之后需進(jìn)行粒徑表征，表征結(jié)果如表1所示。

表1 粉末顆粒直徑

復(fù)合材料的增強(qiáng)體用的是多軸向玻璃纖維經(jīng)編織物，如圖1示。

圖1 多軸向玻璃纖維經(jīng)編織物

該增強(qiáng)體織物是以玻璃纖維為主要原料，主體是有四層玻璃纖維疊放而成，然后再由滌綸復(fù)絲采用經(jīng)編工藝?yán)壷苽涠?。從圖1中可以看出的是第一層玻璃纖維垂直鋪置(0°)，第二層玻璃纖維呈45°鋪置，第三層玻璃纖維呈135°鋪置(-45°)，最底層玻璃纖維與第一層玻璃纖維垂直鋪置，呈90°交叉。多軸向鋪置保證了織物各個方向的穩(wěn)定性。捆綁紗線選用的是滌綸復(fù)絲，這樣織物可以更加穩(wěn)定而不易變形，從而使最終的復(fù)合材料性能更加優(yōu)良。捆綁紗線滌綸是以經(jīng)編工藝?yán)壘幙?，使各層玻璃纖維穩(wěn)固疊放。

樹脂選用的是亞什蘭194型號的酚醛樹脂，在制備復(fù)合材料的過程中，粉末將會以不同的比重(1%, 3% ，5%)添加到樹脂中，粉末和樹脂的攪拌混合要持續(xù)24小時，以免混合不均勻。

1.2 制備過程

首先將CFRP粉末按不同的比重加入到酚醛樹脂中，然后采用真空數(shù)值導(dǎo)入工藝，將增強(qiáng)玻璃纖維織物和酚醛樹脂進(jìn)行復(fù)合，過程中會加入固化劑，固定裝置，24小時后待其固化成形，然后脫模取樣。取樣后制備成測試所需的規(guī)格。

1.3 樣品的規(guī)格

樣品一共有24塊，按照所添加粉末的比重不同分為四類，四類樣品粉末所占比重分別為0%，1%，3%，5%，每一類樣品在拉伸和彎曲性能的測試過程中測試三組。

圖2 拉伸樣品、彎曲樣品的尺寸

圖2為樣品的尺寸，長度為100mm，寬度為15mm，厚度2mm。該樣品為彎曲性能測試用。為了使樣品在拉伸測試過程中應(yīng)力集中，做拉伸性能測試的樣品在中部被切割，切割后樣品中部的寬度為10mm。切割后樣品為拉伸性能測試用。

2 測試設(shè)備和測試原理

拉伸、彎曲測試采用的硬件設(shè)備是帶有載荷傳感器的英斯特朗萬能力學(xué)試驗(yàn)儀(如圖3所示)(Instron Universal Machine)，配備Bluehill軟件。

圖3 英斯特朗萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀

為了比較不同樣品的力學(xué)性能，在準(zhǔn)靜態(tài)的條件下，進(jìn)行拉伸和彎曲測試。拉伸和彎曲測試的載荷施加速度均為2 mm/min。

(a)

(b)

彎曲測試準(zhǔn)備如圖4(a)所示，測試是在帶有傳感器的測試夾具上進(jìn)行。彎曲測試的是三點(diǎn)彎曲，下端兩點(diǎn)之間的距離是7cm，兩點(diǎn)固定且起到約束的作用，載荷施加點(diǎn)在每一塊樣品的點(diǎn)，測試開始之前，加壓桿輕放在樣品上，樣品不發(fā)生形變，傳感器感應(yīng)的載荷為零。

拉伸測試準(zhǔn)備如圖4(b)所示，樣品未被夾持部分(露出部位)為7cm，上下端夾具同時起到固定樣品和施加載荷的作用，樣品夾持準(zhǔn)備時同樣要保證樣品不能發(fā)生形變。

測試過程中，Bluehill軟件會根據(jù)試樣的尺寸、載荷施加速度以及載荷計算并繪制出應(yīng)力應(yīng)變曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 拉伸性能與討論

拉伸性能的測試結(jié)果見圖5，樣品的最大彈性模量值見表2。

表2 樣品楊氏彈性模量(拉伸)

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

從表2中數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論： 粉末含量為1%的樣品，其楊氏彈性模量要比不加粉末的樣品高出4.38%，但是隨著粉末含量的繼續(xù)增加，樣品的彈性模量會越來越低，粉末含量為3%和5%的樣品，其彈性模量相比不加粉末的樣品分別降低14.80%和15.63%，隨著粉末添加比例的增加，樣品的楊氏彈性模量顯示有少許提高，達(dá)到某一峰值之后其楊氏彈性模量開始逐漸下降。從圖5中可以得出結(jié)論： 加入粉末的樣品，其斷裂伸長率要低于不加粉末的樣品，也就是說明，純的樣品加入了粉末之后，其性能變脆。

拉伸試驗(yàn)開始進(jìn)行時，樣品形變不明顯，伴有輕微的斷裂的聲音，隨著拉伸的進(jìn)行，樣品承載的載荷漸漸增大，當(dāng)樣品承載的載荷達(dá)到最大值時，此時樣品斷裂，載荷承載能力急劇下降。

3.2 彎曲性能與討論

彎曲性能的測試結(jié)果見圖6，樣品的最大彈性模量值見表3。

表3 樣品楊氏彈性模量(彎曲)

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線

從表3中數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論： 粉末含量為1%的樣品，其楊氏彈性模量要比不加粉末的樣品高出15.53%，粉末含量為3%和5%的樣品，其彈性增加比例分別為7.18%和1.04%，隨著粉末比重的增加，樣品的彎曲彈性模量逐漸下降，但在粉末含量5%的范圍內(nèi)，其樣品的彎曲彈性模量都要高于不加粉末的樣品。從圖6中曲線可以看出，各類樣品達(dá)到彎曲應(yīng)力的峰值時，其彎曲應(yīng)變基本相同，且粉末比重為5%的樣品與不加粉末的樣品曲線大致相同，這說明粉末比重為5%的樣品與不加粉末的樣品其彎曲性能相近，且彈性模量增加比例在1%左右，變化不大，也說明粉末在5%的比重范圍內(nèi)，樣品的彎曲性能都有提高。

彎曲試驗(yàn)開始進(jìn)行時，樣品漸漸彎曲，但形變效果不明顯，并伴有層間斷裂的聲音。樣品承載的載荷隨著形變的增大而增大，當(dāng)載荷達(dá)到樣品所能承載的最大值時，樣品完全斷裂，載荷承載能力平緩下降。

4 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以得出，在制備新的復(fù)合材料過程中加入復(fù)合材料粉末廢料可以提高材料的拉伸和彎曲性能，但是粉末廢料的添加比例必須在一個固定的范圍內(nèi)。

(2)在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和彎曲兩種作用下，該材料所承載的載荷都隨著形變量的增加而增大，漸漸達(dá)到最大值，當(dāng)達(dá)到峰值之后，材料破壞。不同的是，對于拉伸性能測試，載荷經(jīng)過峰值之后，材料的載荷承受能力急劇下降，而對于彎曲性能測試卻是相對平緩下降。

(3)實(shí)現(xiàn)了廢舊復(fù)合材料的回收以及利用廢舊復(fù)合材料來提高新復(fù)合材料的機(jī)械性能，這也對環(huán)保有幫助。

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2016-09-17

中國博士后面上項(xiàng)目基金(2016M591767)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(JUSRP51625B)。

聶小林(1994-)，男，碩士研究生，研究方向：產(chǎn)業(yè)用針織結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能。

馬丕波(1984-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。

TS102

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1008-5580(2016)04-0024-04