雙面包覆碳納米紙復(fù)合材料濕熱性能的分析

唐 婷， 何 棟

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710089)

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂是現(xiàn)階段較為典型的復(fù)合材料，其具備力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的突出優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在強(qiáng)度、抗腐蝕性等多個(gè)層面，在航空航天等軍工領(lǐng)域都取得廣泛的應(yīng)用。在碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的基礎(chǔ)上，若針對(duì)其面層加以處理，通過增設(shè)碳納米紙的方式有助于提升材料的抗雷擊性能，擴(kuò)展了材料的應(yīng)用范圍，可以為軍工領(lǐng)域的發(fā)展提供更多支持。

1 碳納米紙的制備

具體流程如圖1所示，做如下細(xì)致分析：

(1)利用電子天平稱量，獲得共計(jì)500 mg的碳納米管，要求最終的結(jié)果誤差在0.005 g內(nèi)。

(2)利用針管獲得5 mL曲拉通，將兩種材料混合并置入研缽中充分研磨，經(jīng)此操作使得表面足夠光滑。

(3)利用量筒獲得50 mL去離子水，在其基礎(chǔ)上清洗研缽，此環(huán)節(jié)共操作3次。

(4)收集沖洗后的液體，統(tǒng)一轉(zhuǎn)移到攪拌器內(nèi)處理，持續(xù)2.5 h使其達(dá)到足夠分散的狀態(tài)。

(5)轉(zhuǎn)移到超聲波儀器中，為之展開持續(xù)1 h的超聲處理。

(6)選取離心機(jī)設(shè)備，對(duì)上述材料展開持續(xù)10 min的離心作業(yè)。

(7)通過超濾機(jī)凈化處理，并利用去離子水輔助，持續(xù)抽濾時(shí)間約4 h。

(8)轉(zhuǎn)移至烘箱內(nèi)，確保溫度達(dá)80 ℃并持續(xù)3 h。

圖1 碳納米紙制備流程

2 雙面包覆碳納米紙復(fù)合材料層壓板的制備

引入熱壓法，在此基礎(chǔ)上制得雙面包覆碳納米紙復(fù)合材料。實(shí)際操作中，處理上下模具，通過刷涂脫模劑的方式確保后續(xù)操作的可行性，能夠順利脫模。選擇一塊吸膠氈，將該材料墊入下模板，在上方鋪脫模布(利用碳納米紙并覆蓋)，選取碳纖維方向，以此為基準(zhǔn)鋪設(shè)碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，經(jīng)此環(huán)節(jié)后共形成24層，隨后再在此基礎(chǔ)上蓋上碳納米紙。此時(shí)，確保上下兩張納米紙?zhí)幱谕耆珜?duì)齊的狀態(tài)，以便后續(xù)裁剪作業(yè)。同時(shí)，在上方蓋上脫模布與吸膠氈，無誤后蓋上模板。

3 濕熱實(shí)驗(yàn)

選取復(fù)合材料樣條，將其轉(zhuǎn)移到烘箱中，內(nèi)部溫度恒定90 ℃，在此過程中頻繁檢測(cè)質(zhì)量，若不發(fā)生變化便要將數(shù)據(jù)記錄好并對(duì)其編號(hào)。本次選取的是水煮吸濕法，將所得的樣條置入恒溫水槽中(要求其溫度保持在90 ℃不變，且均為去離子水)。由于存在蒸發(fā)現(xiàn)象，因此要采取覆蓋措施，具體指的是在水槽上方覆蓋保鮮膜。不同復(fù)合材料的吸濕率見表1。與此同時(shí)，力學(xué)性能測(cè)試也是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，除主樣條外，還需額外設(shè)置跟蹤樣條，由此展開吸濕測(cè)試，對(duì)比分析不同工藝下的復(fù)合材料性能。

表1 復(fù)合材料吸濕率

3.1 濕熱實(shí)驗(yàn)

檢測(cè)主樣條吸濕率，若各自對(duì)應(yīng)的值分別為0.3%、1.0%、1.4%、1.6%，便要分析跟蹤樣條，對(duì)其展開層間剪切強(qiáng)度測(cè)試。此環(huán)節(jié)中，樣條尺寸需得到合理控制，具體為(30×6×3)mm，可基于如下方法計(jì)算：

(1)

式中：Tc為試樣剪切強(qiáng)度，MPa；Pb為破壞載荷，N；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

與上述方法相同，選取跟蹤樣條并為之展開彎曲強(qiáng)度測(cè)試，此環(huán)節(jié)采用的是三點(diǎn)彎曲法，但所用的樣條尺寸存在差異，為(40×15×3)mm3，可基于如下方法計(jì)算：

(2)

式中：σ為試樣彎曲強(qiáng)度，MPa；F為破壞載荷，N；L為跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 吸濕行為的研究結(jié)果

結(jié)束吸濕處理后，便要對(duì)實(shí)際吸收的水分加以分析，此環(huán)節(jié)使用的是電子天平稱量的方法，可基于如下方法計(jì)算：

(3)

式中：w0吸濕前試樣的原始質(zhì)量,ɡ；wt為t時(shí)刻試樣的質(zhì)量，ɡ；M(t)為t時(shí)刻的試樣吸濕量，%。

基于上述給出的式(3)，探尋吸濕率M與時(shí)間t的變化規(guī)律，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 雙面布基紙復(fù)合材料的吸濕率M與時(shí)間t的變化規(guī)律

基于對(duì)圖2(a)的分析得知，受90 ℃濕熱環(huán)境的影響，伴隨時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料在吸濕率上呈現(xiàn)出持續(xù)提升的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象從實(shí)驗(yàn)開始至29.5 h均有發(fā)生，后續(xù)則表現(xiàn)出增幅減緩的趨勢(shì)，且逐步變慢，最終形成平緩直線。此時(shí)，對(duì)該復(fù)合材料加以分析，可以得知其飽和吸濕率為1.70%。同時(shí)，基于對(duì)圖2(b)的分析得知，吸濕可細(xì)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：整個(gè)濕熱過程中，前29.5 h表現(xiàn)出的M值變動(dòng)具有規(guī)律性，其與吸濕時(shí)間表現(xiàn)出趨近于線性變化的規(guī)律，因此這一階段吸濕率正好與Fick第二定律相符；隨后便進(jìn)入到第二階段，即濕熱處理達(dá)到29.5 h后，此時(shí)不再表現(xiàn)為線性變化，且與原有的發(fā)展規(guī)律存在一定程度的偏差，甚至出現(xiàn)趨于平緩的現(xiàn)象。因此，以式(3)計(jì)算所得的結(jié)果為指導(dǎo)，圍繞不含碳納米紙的復(fù)合材料性能展開探討，繪制M與t的變動(dòng)曲線，具體如圖3所示。

圖3 純碳纖維復(fù)合材料的吸濕率M與時(shí)間t的變化規(guī)律

基于圖4的內(nèi)容得知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩種復(fù)合材料前29.5 h的吸濕率變動(dòng)趨勢(shì)大體一致，即隨著濕熱時(shí)間的延長(zhǎng)，吸濕率相應(yīng)增加，具有線性增長(zhǎng)特性；進(jìn)入到29.5 h以后的階段，此時(shí)吸濕率表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢(shì)，持續(xù)至221.5 h時(shí)僅存在極為微弱的變化，此時(shí)飽和吸濕率達(dá)到1.705%。同時(shí)，通過對(duì)M與t1/2曲線圖得知，在整個(gè)濕熱處理過程中，前5.5 h內(nèi)的M值變化特性與吸濕時(shí)間t條件下呈現(xiàn)出的規(guī)律大體一致，但后續(xù)階段，不含碳納米紙復(fù)合材料的M值呈現(xiàn)出明顯提升的趨勢(shì)，且更早達(dá)到吸濕飽和狀態(tài)。

3.2.2 力學(xué)性能研究結(jié)果

探尋復(fù)合材料濕熱性能的核心方法在于力學(xué)性能檢測(cè)，在持續(xù)性濕熱處理之下，大量水分子相繼進(jìn)入樹脂基體，從而出現(xiàn)分子間鏈斷裂現(xiàn)象，使得基體出現(xiàn)明顯的溶脹，部分情況下材料內(nèi)部還產(chǎn)生了明顯的化學(xué)反應(yīng)，在此影響下環(huán)氧樹脂與碳納米紙形成的界面整體性能較差，最終表現(xiàn)為復(fù)合材料力學(xué)性能下降的特點(diǎn)。對(duì)此，選取兩種復(fù)合材料(區(qū)別在于有無碳納米紙)，探討各自的層間剪切強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度。

基于圖5內(nèi)容得知，此處選取的兩類復(fù)合材料存在共同之處，即在濕熱時(shí)間延長(zhǎng)之下，表現(xiàn)出的剪切強(qiáng)度都持續(xù)降低。就雙面包裹碳納米紙復(fù)合材料而言，基于對(duì)剪切強(qiáng)度的檢測(cè)得知，尚未展開濕熱處理時(shí)該值為75 MPa，持續(xù)發(fā)生了221.5 h的吸濕現(xiàn)象，最終剪切強(qiáng)度持續(xù)下降并到達(dá)31 MPa水平，得知此項(xiàng)指標(biāo)的降幅為58.67%；同時(shí)，基于對(duì)不含碳納米紙復(fù)合材料的分析得知，其在實(shí)驗(yàn)初期的剪切強(qiáng)度為61 MPa，持續(xù)發(fā)生了173.5 h的吸濕現(xiàn)象，最終剪切強(qiáng)度下降至42 MPa，此項(xiàng)指標(biāo)降幅為31.15%?？傮w來說，前者的層間剪切強(qiáng)度下降速度明顯更快，且幅度也偏大，對(duì)比曲線見圖6。

圖4 兩種復(fù)合材料吸濕率M與t的關(guān)系曲線

圖5 兩類復(fù)合材料濕熱時(shí)間與剪切強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖6 兩類復(fù)合材料濕熱時(shí)間與剪切強(qiáng)度對(duì)比曲線

基于圖7內(nèi)容得知，選取的兩種復(fù)合材料各自對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度具有一定的共性，在濕熱時(shí)間延長(zhǎng)之下，該值表現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢(shì)。就雙面包裹碳納米紙復(fù)合材料而言，基于對(duì)彎曲強(qiáng)度的檢測(cè)得知，尚未展開濕熱處理時(shí)該值為1 046 MPa，持續(xù)發(fā)生了221.5 h的吸熱現(xiàn)象，最終彎曲強(qiáng)度持續(xù)下降并到達(dá)548 MPa水平，得知此項(xiàng)指標(biāo)的降幅為47.6%；同時(shí)，基于對(duì)不含碳納米紙復(fù)合材料的分析得知，其在實(shí)驗(yàn)初期的剪切強(qiáng)度為1 014 MPa，持續(xù)發(fā)生了173.5 h的吸濕現(xiàn)象，最終剪切強(qiáng)度下降至781.6 MPa，此項(xiàng)指標(biāo)降幅為22.9%。

圖7 兩種復(fù)合材料時(shí)間與彎曲強(qiáng)度對(duì)比曲線

4 結(jié) 語

綜上所述，本文以雙面包覆碳納米紙復(fù)合材料為基本對(duì)象，圍繞其濕熱性能展開探討，通過對(duì)比分析的方式，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)該復(fù)合材料吸濕率的變動(dòng)特性為隨時(shí)間延長(zhǎng)而提升，首先表現(xiàn)為線性變動(dòng)特性，后進(jìn)入到化學(xué)反應(yīng)階段，此時(shí)吸濕率雖有上升但極為緩慢，最終趨于平緩。

(2)該復(fù)合材料剪切強(qiáng)度從最初的75 MPa逐步下降至31 MPa，降幅為58.67%；彎曲強(qiáng)度由最初的1 046 MPa逐步下降至548 MPa，降幅為47.6%。