短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備與性能

孫海濤

摘要：目前，開發(fā)應(yīng)用的輕質(zhì)材料主要包括高強(qiáng)度鋼、輕合金材料、工程塑料及復(fù)合材料。復(fù)合材料主要以高性能纖維增強(qiáng)基體樹脂的復(fù)合材料為主。在輕質(zhì)材料領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是在工程塑料高性能化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有質(zhì)輕、高模高強(qiáng)、易成型、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等特點，在質(zhì)量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了輕質(zhì)合金、工程塑料等。而本文就短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備與性能進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：短碳纖維；聚乙烯樹脂；復(fù)合材料；制備；性能

1 導(dǎo)言

碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料更頗具優(yōu)勢。在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域，除廣泛應(yīng)用的玻璃纖維外，碳纖維、芳綸、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維是當(dāng)今世界三大高性能纖維，是高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。

2 短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料

碳纖維的用途主要是利用其“輕而強(qiáng)”和“輕而硬”的力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料；利用其尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用于宇宙機(jī)械、電波望遠(yuǎn)鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應(yīng)用于直升飛機(jī)的葉片；利用其振動衰減性，應(yīng)用于音響器材；利用其耐高溫性，應(yīng)用于飛機(jī)剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應(yīng)用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應(yīng)性，應(yīng)用于人工骨、韌帶；利用其X光透過性，應(yīng)用于X光床板等。這些優(yōu)點都使得碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備研究

3.1 實驗部分

1）主要原料。聚丙烯腈基碳纖維（12K），T700；低壓高密度聚乙烯，1600J。

2）主要設(shè)備及儀器。疲勞試驗機(jī)，EHF-EM200K2-070-1A；注塑機(jī)，XS-ZY500；掃描電子顯微鏡，JSM-6360LA。

3.2 樣品制備

1）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。

2）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。

3）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)熱和干燥時間為1～2h，溫度為10～100℃；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。

3.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

按照GB/T16799-1997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，采用的載荷類型是拉-拉載荷，試驗波形為正弦波，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。

4 短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備結(jié)果與討論

4.1 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1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，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。

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1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。

4.2 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)力大時將會有裂紋產(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。

5 結(jié)語

結(jié)果表明，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；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的2.379MPa，逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步減小。

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（作者單位：大慶石化公司）