L200-C型碳纖維片浸潤樹脂體育用復(fù)合材料腐蝕條件下力學(xué)性能研究

孫鶴嘉

（西安工程大學(xué)，西安 710048）

0 引言

體育運動是人們強身健體的的重要方式，全民健身熱潮的到來促進(jìn)了我國體育事業(yè)的發(fā)展。在體育產(chǎn)業(yè)中，體育器材和設(shè)施對整個行業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。之前的體育設(shè)施大多采用鋼鐵或者木質(zhì)結(jié)構(gòu)制成，使用感很差，而且普及很困難。隨著碳纖維材料的出現(xiàn)和發(fā)展，體育運作制造行業(yè)也在發(fā)生著改變。碳纖維具有質(zhì)量輕、耐腐蝕和安全性高等性能比普通塑料性能優(yōu)異，適用于體育器材的制造中[1]。

與以往傳統(tǒng)的木制、金屬制體育器械相比，碳纖維材料所具備的優(yōu)勢能夠進(jìn)一步提升運動員競技水平極限，幫助運動員最大程度擺脫體育器械對自身競技水平發(fā)揮造成的負(fù)面影響。因此，本文通過制備基于L200-C型碳纖維片浸潤環(huán)氧樹脂XH 130、環(huán)氧樹脂粘膠所形成的復(fù)合材料，對體育領(lǐng)域通用性較高的碳纖維材料的力學(xué)性能進(jìn)行實驗分析，所得到結(jié)論能夠為碳纖維材料在體育領(lǐng)域尤其一般愛好者水平的體育器材加工領(lǐng)域的發(fā)展提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 碳纖維復(fù)合新材料的力學(xué)性能測驗

1.1 試驗材料

1）碳纖維片材（Carbon fiber sheet）：實驗選用最大升力系數(shù)L200-C 型的Carbon fiber sheet。該材料的紗束抱合采用了Dispersion coefficient 不高的12KT700航空級carbon fibre，碳纖維布表面有不同方向、同一性質(zhì)的玻璃纖維貼貼面，Z（經(jīng)向）順直，S（緯向）沒有交叉。

2）浸漬樹脂（Impregnating resin）：X：環(huán)氧樹脂XH 130；Y：環(huán)氧樹脂粘膠。X：Y=3：1。

1.2 制作示范樣品

如表1所示為碳纖維片材的力學(xué)性能，碳纖維織物具有韌性低、彈性低、耐壓差等特點，在拉伸時容易被破壞，需要對其進(jìn)行改進(jìn)制成碳纖維復(fù)合新材料。目前國外主要是采取的方法是用epoxy resin浸漬碳纖維織物，將其制作而成，在制成碳纖維復(fù)合新材料的端頭粘貼增強片，之后再進(jìn)行拉伸[2]。如圖1所示為碳纖維復(fù)合新材料拉伸試樣圖，將試樣設(shè)置成長矩形進(jìn)行拉伸實驗。

表1 碳纖維片材力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of carbon fiber sheet

圖1 碳纖維復(fù)合新材料拉伸試樣Fig.1 Tensile specimen of new carbon fiber composite material

長度：參照材料之后將試樣的長度設(shè)置為235mm；寬度：根據(jù)碳纖維的密度等因素，將試樣的寬度設(shè)置為15mm。

1.3 腐蝕環(huán)境下碳纖維復(fù)合新材料的力學(xué)性能試驗

1）堿溶液浸漬（Alkali solution impregnation 以下簡稱ASI）：構(gòu)成堿溶液的物質(zhì)配比（去離子水1L）為熟石灰118.5g，燒堿0.9g，氫氧化鉀4.2g。將實驗樣品跟ASI混合放入密閉容器中放置3個月，3個月后取出樣品。該樣品顏色無明顯變化，體重增加0.06g，但是樣品的增強片大多被腐蝕脫落了。

2）鹽溶液的浸漬（Impregnation of salt solution以下簡稱IOSS）：該溶液主要是在含量為3.5%的氯化鈉。將實驗樣品放置于IOSS 中密閉保存3個月，3個月后取出樣品，該樣品顏色同樣無明顯變化，但是體重增加0.08g，而且有將近一半的樣品表面出現(xiàn)氣泡（或漏出纖維）。

3）耐候性：將樣品進(jìn)行2000h 的加速老化。實驗使用設(shè)備使用漢瞻牌Xenon lamp weathering test chamber，型號為LG-72XD。將實驗樣品進(jìn)行連續(xù)光照和全面輻射（平均輻照度為550W/m2），濕潤周期為18min，干燥時間為102min。在反應(yīng)周期完成之后取出樣品，樣品顏色發(fā)生變化，表面呈土灰色，重量增加0.06g，且有一些增強片脫落[3]。

1.4 試驗方法

拉伸實驗在T2002-50kn testing machine 上完成，實驗采取的樣品實驗標(biāo)距為150mm，試驗數(shù)據(jù)（拉伸強度和伸長率）則是通過數(shù)據(jù)采集獲得（荷載傳感器和變形傳感器）。在數(shù)據(jù)采集中通過截取伸長率的數(shù)值來計算彈性模量，而拉伸彈性模量是在彈性模量的基礎(chǔ)上通過變形增加量計算從得來的。

2 實驗結(jié)果

2.1 試驗結(jié)果篩選

該試驗屬于大型樣本實驗，所需要的數(shù)據(jù)比較多，會有離群值出現(xiàn)的可能性，在計算實驗結(jié)果之前需要先進(jìn)行離群值刪除[4]。如表2 所示為刪除離群值后的試驗樣本統(tǒng)計表，按照Grubbs準(zhǔn)則進(jìn)行試驗結(jié)果檢驗，在整體方差不明確的情況下，α（顯著性水平）=0.05。

表2 刪除離群值后的試驗樣本統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of test samples with outliers deleted

2.2 碳纖維復(fù)合新材料應(yīng)力、應(yīng)變曲線

圖3 各組試樣應(yīng)力曲線變化圖Fig.3 Stress curve change diagram of each group of samples

由圖3 可知，應(yīng)力曲線在第一階段為彈性直線段，在第一、二階段之間有一個應(yīng)力點（基體發(fā)生屈服）。從圖中可以看出，纖維的力學(xué)性能對碳纖維復(fù)合新材料應(yīng)力、應(yīng)變影響很大，因為碳纖維復(fù)合新材料的體積較高，而基體比纖維模量低，兩者基本呈直線關(guān)系[5]。而第一階段的直線斜率比第二階段的大，與以上實驗相吻合。在第三階段碳纖維開始出現(xiàn)基體斷裂，但是依然存在纖維性能，對材料的強度有作用。

總而言之，碳纖維的應(yīng)力曲線在第一、二階段基本相似，幾乎接近直線。而新材料在被破壞之前仍然可以保持線彈性變化，通過計算分析（碳纖維布補強加固混凝土結(jié)構(gòu)）可以得出碳纖維復(fù)合新材料的應(yīng)力、應(yīng)變屬于線性關(guān)系，其拉伸彈性模量即為直線的斜率[6]。

碳纖維復(fù)合新材料在經(jīng)過被腐蝕之后還可以保持很好的應(yīng)力、應(yīng)變，這就說明腐蝕環(huán)境不會對碳纖維復(fù)合新材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，與其具有的防腐蝕性和耐熱性相吻合。

2.3 腐蝕環(huán)境條件下復(fù)合新材料力學(xué)性能分析

從以上試驗可以看出，碳纖維復(fù)合新材料的各項性能是呈高斯分布的。如表3所示為碳纖維復(fù)合新材料的力學(xué)性能差異分析，碳纖維復(fù)合新材料期望和方差都屬于未知的情況下，總體參數(shù)隨方差的變化而變化，在進(jìn)行假設(shè)試驗時，需要先對方差進(jìn)行假設(shè)。

表3 碳纖維復(fù)合新材料力學(xué)性能差異分析表Tab.3 Difference analysis of mechanical properties of new carbon fiber composite materials

2.4 假設(shè)試驗結(jié)論

上文的試驗是在a=0.05的前提下進(jìn)行的碳纖維復(fù)合新材料的力學(xué)性能假設(shè)研究，因此最后該試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性≥0.95[7]。

1）通過以上準(zhǔn)備試驗可以看出，碳纖維復(fù)合新材料的拉伸強度不受腐蝕環(huán)境（堿溶液浸漬、鹽溶液的浸漬、耐候性）的影響；從均值來看變化也不太明顯；但是樣品方差在普通環(huán)境下小于腐蝕環(huán)境下，即ASI＞IOSS＞耐候性，在普通環(huán)境下的樣本標(biāo)準(zhǔn)差為280.37，在ASI 環(huán)境下的樣本標(biāo)準(zhǔn)差為542.45。因此，說明了碳纖維復(fù)合新材料在腐蝕性強的環(huán)境下的強度值的離散性比在普通環(huán)境下增大了。碳纖維復(fù)合新材料的拉伸強度受碳纖維強度的影響較大，而拉伸強度有無明顯變化取決于碳纖維的抗腐蝕性能。在以上試驗中僅在IOSS 環(huán)境下碳纖維產(chǎn)生了氣泡和外露，在一定程度上降級了碳纖維的抗腐蝕性和復(fù)合新材料的拉伸度[8]。碳纖維在受腐蝕之后其特性仍然和普通樣式一樣，這就說明增強了它的離散性，樣品在IOSS 環(huán)境下產(chǎn)生氣泡，說明IOSS 下碳纖維的強度值較低，離散性與其他環(huán)境相比最大。

2）碳纖維復(fù)合新材料在ASI、IOSS 和耐候性環(huán)境下均有明顯變化，伸長率較普通環(huán)境下變小了，ASI和IOSS環(huán)境下下降了21.17%，耐候性環(huán)境下下降了17.69%，復(fù)合新材料的變形能力受腐蝕性影響會降低。從方差方面來看，碳纖維復(fù)合新材料的離散性在經(jīng)過腐蝕之后降低了，這就表明碳纖維復(fù)合新材料的伸長率受腐蝕性影響較大。

3）彈性模量在ASI和IOSS環(huán)境下有明顯變化，在耐候性環(huán)境下無明顯變化；從均值方面來看，復(fù)合新材料的彈性模量在ASI、IOSS和耐候性環(huán)境下都降低了[9]。

3 實驗結(jié)論與討論

文章將碳纖維復(fù)合新材料置于腐蝕環(huán)境中和普通環(huán)境下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗比較，結(jié)果證實碳纖維復(fù)合新材料抗腐蝕能力強，其力學(xué)性能不會受到腐蝕環(huán)境的影響[10]。

1）碳纖維復(fù)合新材料在ASI、IOSS 和耐候性環(huán)境中拉伸強度沒有明顯變化，其中IOSS 對其的影響稍微高一些，耐候性環(huán)境中提高了其強度。

2）拉伸度在ASI、IOSS 和耐候性環(huán)境中有明顯變化，對其變形能力有一定的影響。

3）拉伸彈性模量在ASI、IOSS 環(huán)境中有明顯變化，耐候性環(huán)境對其影響較小，但是整體拉伸彈性模量會受腐蝕環(huán)境的影響。