碳纖維增強環(huán)氧樹脂的抗阻力特性

吳海池，董 薇

（1.河北科技學院，河北省保定市 071000；2.河北軟件學院，河北省保定市 071000）

纖維增強聚合物基復合材料是當前應(yīng)用廣泛的復合材料之一，因其具有質(zhì)輕、比強度高、疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工設(shè)備、運動機械等領(lǐng)域［1］。碳纖維增強復合材料密度低，強度高，模量高，具有很強的耐高溫性能，尤其適用于對質(zhì)量、疲勞、剛度特性等要求嚴格的領(lǐng)域。碳纖維質(zhì)地輕柔，彈性模量大，具有很強的抗拉伸性能，且基體樹脂與碳纖維的化學結(jié)構(gòu)不發(fā)生排斥行為。熱固性樹脂和熱塑性樹脂的成型工藝和熱行為不同。熱固性樹脂是在加熱加壓情況下生成的固化劑，可塑能力強，穩(wěn)定性好，熱塑性樹脂能夠與溶劑融合，軟化冷卻后可恢復到原來的狀態(tài)，因此，熱塑性樹脂形成的材料具有很強的抗沖擊性能，加工成本也低于熱固性樹脂合成的材料［2］。將碳纖維與樹脂基體結(jié)合能夠有效減少復合材料由于濕熱腐蝕而造成的老化［3］。

由碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料制成的泳衣長期浸泡在水中，不可避免地受到潮濕的水汽影響，泳衣的力學性能也會因為濕熱浸泡而出現(xiàn)退化。毛才文等［4］發(fā)現(xiàn)，碳纖維不具備吸濕能力，樹脂具備吸濕能力，二者在溶脹量上有明顯差異，導致基體樹脂的極性增高，纖維與基體樹脂越來越不匹配，出現(xiàn)膨脹效應(yīng)，基體與纖維之間出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，如此反復，可能會形成龜裂紋。本文綜述了碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力特性。

1 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力特性

在研究碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料抗阻力特性的同時，蘭總金等［5］根據(jù)拉曼光譜效應(yīng)和有限元分析理論，采用三維編織技術(shù)提高纖維與纖維間的緊密性，確保組成的復合材料是一個完整牢固的整體。碳纖維與環(huán)氧樹脂的吸濕機理不同，應(yīng)選擇適宜的吸濕機理提高碳纖維強度。通過加強碳纖維的導熱性和導電性，增強環(huán)氧樹脂的抗阻力能力。

1.1 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料抗阻力特性增強技術(shù)

目前，碳纖維廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，而碳纖維復合材料可以使碳纖維得到最大利用。馮宇晨等［6］研究了利用碳纖維制作泳衣，水進入碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料制作的泳衣后，會在復合材料中不斷擴散，破壞高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為溶劑的水會與基體樹脂發(fā)生作用，基體樹脂不斷溶脹，導致高分子鏈出現(xiàn)松弛。郭書峰等［7］發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料中的極性基團在水中會形成氫鍵，在水的增塑作用下，降低了復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。周志宏等［8］研究表明，隨著泳衣浸泡時間的增加，水會在碳纖維與環(huán)氧樹脂基體間不斷擴散?；w與增強體之間的界面結(jié)合越牢固，性能越好，一旦水進入材料，就會破壞界面結(jié)合強度，纖維與基體難以緊密地結(jié)合到一起，甚至無法形成一個整體，微孔形成漏洞，導致碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力能力降低。

相較于傳統(tǒng)材料，碳纖維增強環(huán)氧樹脂的強度更好，比模量更高，性能更優(yōu)越，使用這種材料設(shè)計的泳衣強度很好。馬芳武等［9］指出，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料是一種紡織結(jié)構(gòu)，碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合可以有效提高復合材料的厚度、強度，使其在高沖擊下的損傷也很小。以碳纖維增強環(huán)氧樹脂型泳衣為例，其采用編織方式將碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合到一起，重點突出了纖維與纖維間的整體性，加強了整體剪切強度、抗沖擊損傷特性。使用三維編織技術(shù)進行材料加工，在整個加工過程中，對于纖維的損傷都是極小的，甚至沒有損傷，材料的整體性得到很好保護，而整體性的增強，也會進一步提升材料的剛度和強度。張廣成等［10］發(fā)現(xiàn)，在利用碳纖維制備復合材料時，纖維都是按照同一方向排列，如編制泳衣需要利用攜紗器使碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料在事先設(shè)定好的軌跡上正常運行，形成交叉結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，交織面夾緊后形成的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的形態(tài)好、結(jié)構(gòu)緊密、抗阻力能力強。為了確保碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力特性，一定要反復檢查，分析攜紗器沿運動軌跡所在平面的運動方式是否為規(guī)律運動方式，只有確保攜紗器的運動方式為規(guī)律運動方式，才能保證纖維束或紗線的運動是規(guī)律的運動方式，纖維形成的結(jié)構(gòu)才能是緊密性較強的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

在對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料研究的過程中還應(yīng)用了拉曼光譜效應(yīng)，由于復合材料中增強材料和基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，所以基體和增強體在膨脹或收縮時會出現(xiàn)失配，復合材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力。黃德欣等［11］研究表明，使用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料設(shè)計泳衣時，會選用偶聯(lián)劑和植物纖維對復合材料進行處理，提高界面的黏合性，同時利用鋁酸酯偶聯(lián)劑來增強纖維與樹脂的相容性，確保復合材料中拉曼特征峰向高波數(shù)發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象，從而增強碳纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合能力。

劉靜等［12］在分析碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料特性時發(fā)現(xiàn)，選取的纖維點會對分析結(jié)果有很大影響。從圖1可以看出，雖然a點觀察起來十分容易，但a點處樹脂已經(jīng)被打磨得很薄，所有纖維都直接暴露在外面，如果選取這一點作為觀察點，得到的結(jié)果十分不準確；b點處纖維埋在樹脂下，必須通過激光打透纖維，將打透的纖維返回給探針，才能得到真實的應(yīng)力結(jié)果；c點處纖維埋在很厚的樹脂下，周圍含有大量環(huán)氧樹脂，會直接影響測試的特征圖譜。

圖1 拉曼光譜儀觀察下的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料照片（×1 000）Fig.1 Photo of carbon fiber reinforced epoxy resin under observation of Raman spectrometer

紀朝輝等［13］發(fā)現(xiàn)，拉曼光譜的偏移轉(zhuǎn)折點將改變碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的滲水狀態(tài)，說明不同的觀察點將影響復合材料整體的抗阻力特性結(jié)果。

姜磊等［14］研究了壓強與碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料位移的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著壓強的增加，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的位移變動逐漸增加，應(yīng)變力逐漸減少，說明碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力特性與壓強呈負相關(guān)關(guān)系。因此，需控制壓強避免無關(guān)因素對實驗的影響。姜磊等［14］還發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的特征位移量影響復合材料抗阻力狀態(tài)，發(fā)生偏移程度越大則證明其抗阻力性能越好。

1.2 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的吸濕機理

應(yīng)用吸濕機理可以很好地增強碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力特性。鄒在平等［15］發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料具有很強的吸濕能力，當水分子進入復合材料后，會在樹脂基體中迅速擴散，借助復合材料纖維與基體表面毛細作用聚積在泳衣空隙、微裂紋，通過水體的作用增加基體大分子的間距，提升剛性基團的活性，當基體出現(xiàn)溶脹時，增塑會更容易。當水進入復合材料后，在基體的吸濕性作用下會迅速擴散，由于內(nèi)外滲透壓作用，基體的內(nèi)部就會出現(xiàn)微小的裂紋，基體自身的形態(tài)也會發(fā)生變化，吸濕能力更強。當裂紋擴散后，基體就會破裂，材料可能遭到永久性破壞。在初期階段，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的吸濕能力會隨著時間的增加而不斷增加，復合材料的吸濕能力與時間呈線性關(guān)系，擴散方式為Fick擴散。根據(jù)Fick擴散理論，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的吸濕速率與吸濕時間的關(guān)系滿足式（1）［16］。

式中：G代表碳纖維增強環(huán)氧樹脂吸濕速率，mL/s；M∞代表飽和條件下的吸濕量，mL；D代表擴散系數(shù)；t代表吸水時間，s；Mt代表初始吸濕量，mL；Mi代表平均吸濕量，mL；j代表水分含量，mL；h代表時間變化差，s；Π代表材料適應(yīng)程度，%。

隨著吸濕時間的增加，吸濕進入了后期階段，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣雖然也能吸水，但吸水速率比較緩慢，吸水量也越來越平衡，這一時刻的吸濕行為已經(jīng)滿足Fick理論，這一時刻點被稱為吸濕點，當過了這個吸濕點，水分進入復合材料的方式不再是純濃度梯度擴散方式，而是流動方式，主要沿著缺陷和毛細部分，吸濕過程的表達式見式（2）。

式中：c為介質(zhì)常數(shù)；m代表總吸濕量，mL；mm表示吸收點的總吸收量，mL。

譚翔飛等［17］發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強環(huán)氧樹脂材質(zhì)泳衣在游泳初期的吸濕質(zhì)量滿足Fick定律，增加的質(zhì)量與時間呈線性關(guān)系。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料吸濕40 h時達到飽和狀態(tài)，此時復合材料無法再吸收水分，降低了其所受到的水流沖擊程度，進而增強了復合材料的抗阻力能力。

2 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣在游泳過程中的抗阻力特性

在自然環(huán)境下，使用碳纖維增強環(huán)氧樹脂制成的產(chǎn)品會受到濕熱因素影響。趙玉芬等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣進行游泳實驗時，纖維由于受到潮濕的水汽影響，產(chǎn)生不同的內(nèi)應(yīng)力，會出現(xiàn)溶脹、水解、變形、微結(jié)構(gòu)變化等現(xiàn)象。目前，對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣在抗阻力特性游泳實驗領(lǐng)域的研究很少，主要是因為在研究過程存在兩個難點：（1）三維編織復合材料微觀結(jié)構(gòu)復雜，尤其是在水分浸泡后，被浸濕的纖維難以測定；（2）實驗泳池內(nèi)的水分將對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料制造的泳衣造成一定的破壞，有可能會影響阻力特性分析的精準性。為更好地分析碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料在實驗泳池中的抗阻力特性，設(shè)計碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料制作泳衣性能對比實驗。選擇3名男子一級游泳運動員，在5 m×40 m的游泳池中游泳，運動員同時采用蝶泳、仰泳、蛙泳等方式進行兩次游泳，兩次測試相隔1 d。第一次游泳時，運動員穿碳纖維增強環(huán)氧樹脂型泳衣，第二次穿普通泳衣，測試時間為下午兩點。為了使測量更加合理，設(shè)置擁有大、中、小三種口袋的碳纖維增強環(huán)氧樹脂型泳衣。由于大袋中含有的負荷很重，運動員在游泳時明顯感到吃力，當運動員身穿碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣時，其受到的阻力較普通泳衣時減少了20%～30%，運動員的動作連續(xù)性得以增強，做連貫動作更加容易。中袋負荷處于中等狀態(tài)，當運動員身穿碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣時，運動員受到的阻力較普通泳衣時減少了17%～25%，運動員動作連貫性很好，可以很好地適應(yīng)大數(shù)量訓練。小袋負荷較輕，當運動員身穿碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料泳衣時，運動員受到的阻力較普通泳衣時減少了8%～12%，運動連貫性得以增強，能夠適應(yīng)前期小規(guī)模訓練。這表明，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料能夠減少泳衣在實驗泳池內(nèi)所占總阻力的比值，所受阻力較小，驗證了碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料抗阻力能力較強的觀點。運動員的成績測試結(jié)果表明，身著碳纖維增強環(huán)氧樹脂型泳衣的運動員耗時更少，運動動作更加連貫，在水中受到的阻力更小，該結(jié)果表明，碳纖維增強環(huán)氧樹脂的抗阻力能力更強［19］。

3 結(jié)語

分析了碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料制造的泳衣在游泳過程中的抗阻力特性，利用拉曼光譜驗證了碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的抗阻力能力。被處理后的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料拉曼特征峰會向高波數(shù)發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象，從而提高自身的抗阻力能力。在吸濕過程中，由于碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料具有較強的吸濕能力，降低了其所受到的水流沖擊程度，增強了復合材料的抗阻力能力。