粗糙度對(duì)碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能影響

黃彩飛 ，陳國(guó)平，王禹

(西南科技大學(xué)，四川綿陽(yáng) 621000)

碳纖維布具有強(qiáng)度高，密度小的性質(zhì)，而且具有厚度薄在加固構(gòu)件時(shí)基本不增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重及截面尺寸的特點(diǎn)。除此之外，碳纖維布還具有易裁剪、抗疲勞性能好、耐腐蝕、高彈性模量、無(wú)磁性等一系列優(yōu)越的性能。碳纖維布現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用在工程加固中，以達(dá)到增強(qiáng)基底材料的的力學(xué)性能的目的[1–6]。

現(xiàn)將碳纖維布應(yīng)用于塑料板材中，意在制備出一種輕質(zhì)高效的新型板材。目前大量研究表明，基底材料的表面粗糙度是影響碳纖維布發(fā)揮其效能的一個(gè)重要因素[7–9]，更好了解粗度對(duì)碳纖維布效能發(fā)揮的影響，可為板材的制作提供指導(dǎo)。筆者采用梯度打磨的方式得到不同的粗糙度的試件[10–14]，并采用粗糙度儀進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)在試件制作時(shí)嚴(yán)格控制膠層厚度，并在試件上粘貼相同大小、相同數(shù)量的碳纖維布，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用由日本辰日株式會(huì)社提供的碳纖維布和配套樹(shù)脂，以及上海昇輝橡膠制品公司提供的聚丙烯板材進(jìn)行試件的制作，材料性能見(jiàn)表1。

表1 材料性能

2 試件制作

拉伸試件的尺寸按照GB／T 1447–2005進(jìn)行制作，具體尺寸見(jiàn)圖1。利用砂紙分別對(duì)試件進(jìn)行縱向打磨，打磨次數(shù)分別為20，40，60，80次和不打磨處理，每相同打磨次數(shù)的試樣和不打磨試樣分別制作3個(gè)，并且利用粗糙度儀(見(jiàn)圖2)進(jìn)行取點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為打磨次數(shù)。以平均值視為試件粗糙度參考值，同時(shí)“K”表示未打磨試件，“P”表示打磨的試件。然后在試件相同位置上粘貼相同尺寸、相同數(shù)量的碳纖維布，在粘貼碳纖維布同時(shí)注重對(duì)膠層厚度的控制，見(jiàn)圖3所示。將粘貼好的試件靜止8 h以上待樹(shù)脂完全硬化。

圖1 試件示意圖

表2 試件粗糙度檢測(cè)表

圖2 粗糙度檢測(cè)儀

圖3 相同尺寸的碳纖維布

3 試驗(yàn)方法

將試件依據(jù)GB／T 3354–2014，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖4)上分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm／min，直到樹(shù)脂與板材間完全脫膠后停止試驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)力–位移數(shù)據(jù)，試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)如圖5所示。同時(shí)為了考慮材料自身的差異對(duì)試驗(yàn)的影響，在試驗(yàn)前對(duì)未粘貼碳纖維布的試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，3個(gè)未打磨試件的試驗(yàn)力–位移曲線(xiàn)擬合性較高。

圖4 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖5 試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6、圖8和圖10分別為A組、B組、C組試驗(yàn)力–位移曲線(xiàn)。圖7、圖9和圖11分別為A組、B組、C組斜率曲線(xiàn)。

圖6 A組試驗(yàn)力–位移曲線(xiàn)

圖7 A組斜率曲線(xiàn)

圖8 B組試驗(yàn)力–位移曲線(xiàn)

圖9 B組斜率曲線(xiàn)

圖10 C組試驗(yàn)力–位移曲線(xiàn)

圖11 C組斜率曲線(xiàn)

由圖可知，A組的試驗(yàn)結(jié)果中P1(20)和P1(40)的試件試驗(yàn)斜率低于K1，且在相同試驗(yàn)力下P1(20)試件位移量大于K1試件。隨后在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)P1(20)和P1(40)試件與塑料的粘接面的膠層中出現(xiàn)了許多孔洞，這是由于在制作試件時(shí)新拌和的樹(shù)脂中存在氣泡，未清除干凈就直接用于A(yíng)組20，40次試件的粘貼。由于膠層中的氣泡的存在，導(dǎo)致膠層與板材的粘接面硬化后孔洞的出現(xiàn)，造成中間部分位置出現(xiàn)未粘接牢固的現(xiàn)象，然后在后期的拉伸試驗(yàn)中由于這種不均勻粘接情況的存在，使得膠層易從這些薄弱部位開(kāi)始造成了從均布到整體的脫膠，影響了碳纖維布性能的發(fā)揮。由于在P1(20)和P1(40)試件粘貼的同時(shí)樹(shù)脂也自然靜置了一段時(shí)間，氣泡逐漸消失，后續(xù)試件的粘貼未受到影響。B、C組試驗(yàn)結(jié)果均未出現(xiàn)A組中的情況。二組的試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的試驗(yàn)力下，隨著粗糙度值的增加，試件變形量減小。同時(shí)隨著粗糙度值的增加，試驗(yàn)–位移曲線(xiàn)在試驗(yàn)力在0.5～0.6 kN的范圍內(nèi)斜率越來(lái)越大，并且隨著粗糙度的增大，斜率的增加幅度也隨著提高。由此可知粗糙度對(duì)碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能影響顯著，找到合適的粗糙度對(duì)提高碳纖維布性能的發(fā)揮有著重要的意義。

5 結(jié)論

通過(guò)拉伸試驗(yàn)，分析得到：

(1)在相同膠層厚度下，由于粗糙度提高，增強(qiáng)了膠層的粘接強(qiáng)度，進(jìn)而提高了碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能。其中當(dāng)粗糙度從2.004增到2.731時(shí)，斜率由2.11提高到5.61，對(duì)粘接強(qiáng)度影響顯著。

(2)由試驗(yàn)的斜率的增幅變化可知，在一定范圍內(nèi)改變粗糙度是提高粘接強(qiáng)度一個(gè)高效的方式。

(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷，當(dāng)粗糙度大于2.751時(shí)，粗糙度對(duì)粘接效果的影響就不明顯了。

(4)在制作試件時(shí)需要注意膠層中氣泡對(duì)試驗(yàn)的影響，同時(shí)需要控制好膠層厚度。