粗糙度對碳纖維布增強聚丙烯力學性能影響

黃彩飛 ，陳國平，王禹

(西南科技大學，四川綿陽 621000)

碳纖維布具有強度高，密度小的性質，而且具有厚度薄在加固構件時基本不增加結構構件的自重及截面尺寸的特點。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、無磁性等一系列優(yōu)越的性能。碳纖維布現(xiàn)在已廣泛應用在工程加固中，以達到增強基底材料的的力學性能的目的[1–6]。

現(xiàn)將碳纖維布應用于塑料板材中，意在制備出一種輕質高效的新型板材。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)揮其效能的一個重要因素[7–9]，更好了解粗度對碳纖維布效能發(fā)揮的影響，可為板材的制作提供指導。筆者采用梯度打磨的方式得到不同的粗糙度的試件[10–14]，并采用粗糙度儀進行檢測，同時在試件制作時嚴格控制膠層厚度，并在試件上粘貼相同大小、相同數(shù)量的碳纖維布，進行拉伸試驗。

1 試驗材料

試驗采用由日本辰日株式會社提供的碳纖維布和配套樹脂，以及上海昇輝橡膠制品公司提供的聚丙烯板材進行試件的制作，材料性能見表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進行制作，具體尺寸見圖1。利用砂紙分別對試件進行縱向打磨，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，并且利用粗糙度儀(見圖2)進行取點檢測，檢測檢測結果見表2，括號內(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“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注重對膠層厚度的控制，見圖3所示。將粘貼好的試件靜止8 h以上待樹脂完全硬化。

圖1 試件示意圖

表2 試件粗糙度檢測表

圖2 粗糙度檢測儀

圖3 相同尺寸的碳纖維布

3 試驗方法

將試件依據(jù)GB／T 3354–2014，在萬能試驗機(見圖4)上分別進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm／min，直到樹脂與板材間完全脫膠后停止試驗并記錄實驗力–位移數(shù)據(jù)，試驗機控制系統(tǒng)如圖5所示。同時為了考慮材料自身的差異對試驗的影響，在試驗前對未粘貼碳纖維布的試件進行了拉伸試驗，3個未打磨試件的試驗力–位移曲線擬合性較高。

圖4 萬能試驗機

圖5 試驗機控制系統(tǒng)

4 試驗結果及分析

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

圖6 A組試驗力–位移曲線

圖7 A組斜率曲線

圖8 B組試驗力–位移曲線

圖9 B組斜率曲線

圖10 C組試驗力–位移曲線

圖11 C組斜率曲線

由圖可知，A組的試驗結果中P1(20)和P1(40)的試件試驗斜率低于K1，且在相同試驗力下P1(20)試件位移量大于K1試件。隨后在試驗結束時發(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新拌和的樹脂中存在氣泡，未清除干凈就直接用于A組20，40次試件的粘貼。由于膠層中的氣泡的存在，導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)試件粘貼的同時樹脂也自然靜置了一段時間，氣泡逐漸消失，后續(xù)試件的粘貼未受到影響。B、C組試驗結果均未出現(xiàn)A組中的情況。二組的試驗結果表明，在相同的試驗力下，隨著粗糙度值的增加，試件變形量減小。同時隨著粗糙度值的增加，試驗–位移曲線在試驗力在0.5～0.6 kN的范圍內(nèi)斜率越來越大，并且隨著粗糙度的增大，斜率的增加幅度也隨著提高。由此可知粗糙度對碳纖維布增強聚丙烯的力學性能影響顯著，找到合適的粗糙度對提高碳纖維布性能的發(fā)揮有著重要的意義。

5 結論

通過拉伸試驗，分析得到：

(1)在相同膠層厚度下，由于粗糙度提高，增強了膠層的粘接強度，進而提高了碳纖維布增強聚丙烯的力學性能。其中當粗糙度從2.004增到2.731時，斜率由2.11提高到5.61，對粘接強度影響顯著。

(2)由試驗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度一個高效的方式。

(3)根據(jù)試驗結果判斷，當粗糙度大于2.751時，粗糙度對粘接效果的影響就不明顯了。

(4)在制作試件時需要注意膠層中氣泡對試驗的影響，同時需要控制好膠層厚度。