疊層順序對回收碳纖維／苧麻混雜增強PE-HD復合材料力學性能影響

阮芳濤 ，夏成龍 ，楊慶永 ，邢劍 ，徐珍珍

(1.安徽工程大學紡織服裝學院,安徽蕪湖 241000； 2.安徽省紡織結構復合材料國際聯(lián)合研究中心,安徽蕪湖 241000)

在復合材料領域,碳纖維(CF)具有高模量、高強度、耐高溫等優(yōu)點,已成為航天航空等國防尖端技術發(fā)展迫切需要的新材料。CF在結構材料中的應用一般通過復合工藝將CF與樹脂等基體制備成復合材料。隨著民用航空、新能源汽車、風力發(fā)電等領域的輕量化需求日益增高,CF增強復合材料作為理想的輕量化材料在民用領域中得到廣泛應用[1–2]。在CF復合材料產量增加的同時,其廢棄物也隨之增加[3],其回收方法主要有熱解法和化學溶劑法,回收工藝較為成熟[4–5]。但回收碳纖維(rCF)再利用率較低,一方面是由于rCF由長絲變成了非連續(xù)的短纖維,還需要通過非織造、紡紗等工藝將rCF制備成碳氈或連續(xù)紗,工藝難度較大,僅有少數(shù)公司將rCF制成無紡碳氈和環(huán)氧CF片狀模塑料,應用于汽車引擎蓋內板、側板、電池箱等[6]。

近年來,采用天然植物纖維作為主要原料的“綠色復合材料”日益受到人們的重視。天然植物纖維如苧麻(RF)、亞麻、劍麻,具有力學性能較高、密度低、無毒、生物活性等優(yōu)點[7–8]。天然纖維增強樹脂基復合材料具備密度低、模量高、易成型和隔音隔熱的優(yōu)勢。我國作為苧麻的主要產地,產量占世界的90%以上,原材料豐富。RF中間有空隙,是良好的熱絕緣體和吸聲材料,作為增強材料添加到樹脂中,能夠提高材料的剛度、熱穩(wěn)定性和阻尼性能,增大了材料的應用范圍[9]。段成名等[10]研究了RF增強酚醛樹脂復合材料的力學性能,對RF進行熱處理能夠提高拉伸彈性模量,并提高其與樹脂的結合強度。但是單一的RF其強度較低,混雜復合材料可以改善單一纖維復合材料的沖擊韌性、斷裂應變以及疲勞強度等。由于混雜效應的存在,通過調節(jié)混雜比、混雜形式,可以擴大設計自由度,擴大適用范圍,并達到降低成本或減重的目的[11]。莫正才等[12]將短RF添加到CF層之間用于增韌,在RF和CF層間的裂紋擴展過程中存在橋聯(lián),能夠降低短RF從環(huán)氧樹脂基體中拔出與劈裂等現(xiàn)象,從而增加CF的層間剪切韌性。張蔭楠等[13]制備了混雜RF／玻璃纖維(GF)增強聚丙烯(PP)復合材料,研究了RF,GF體積含量對復合材料彎曲和剪切性能的影響,研究結果表明,GF的加入大幅提高了復合材料的力學性能,PP的含量決定了復合材料中樹脂對纖維的浸潤性。張紅霞等[14]采用非織造–模壓成型工藝,研究了rCF質量分數(shù)對復合材料力學、導電和導熱性能的影響,當rCF質量分數(shù)為30%時,復合材料的綜合力學性能最好。

RF雖來源豐富、優(yōu)點頗多,但是在力學性能上還是無法超越CF,在實際應用中不能完全替代CF。采用混雜rCF的方法,既降低了成本,又使力學性能達到要求,是一種較好的材料設計方法。筆者設計了一種簡化的混雜復合材料成型工藝,首先采用熱塑性高密度聚乙烯(PE-HD)為基體,rCF和RF無紡布為增強纖維,利用模壓法分別制備成PE-HD／rCF和PE-HD／RF片狀模塑料。然后分別取4片PE-HD／rCF和PE-HD／RF片狀模塑料,制備5種不同疊層順序的混雜復合材料,研究了疊層順序對PE-HD／rCF／RF混雜復合材料力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

RF無紡布：HX–002,山東奧博材料有限公司；

rCF：蕪湖艾達索高新材料有限公司；

PE-HD薄膜：3300F,厚度為0.05 mm,密度為0.92 g／cm3,山東齊旺達集團石油化工公司。

1.2 主要設備及儀器

熱壓機：YLJ–HP300型,合肥科晶材料技術有限公司；

真空干燥箱：ZF–6050型,上海恒一精密儀器有限公司；

微機控制電子萬能試驗機：WCW–20型,濟南天辰試驗機制造有限公司；

簡支梁沖擊試驗機：XJJ–50S型,濟南天辰試驗機制造有限公司；

高清電子測量顯微鏡：GP–300C型,昆山高品精密儀器有限公司。

1.3 復合材料的制備

(1)片狀模塑料的制備。

分別以rCF和RF無紡布為增強材料,以PE-HD膜為基體材料,采用熱壓法在140℃,4 MPa的條件下熱壓10 min,保壓、冷卻,制備成尺寸為 15 cm×15 cm×0.05 cm 的 PE-HD／rCF和PE-HD／RF片狀模塑料。

(2)不同疊層順序復合材料的制備。

復合材料制備的疊層順序和片數(shù)見表1。

表1 復合材料制備的疊層順序和片數(shù)

分別取4片PE-HD／rCF片狀模塑料和4片PE-HD／RF片狀模塑料,按照表1復合材料制備的疊層順序和片數(shù)進行疊層,在140℃,4 MPa的條件下熱壓10 min,保壓、冷卻,制備5種不同疊層順序的PE-HD／rCF／RF混雜復合材料。按照相同步驟,分別取8片PE-HD／rCF和8片PE-HD／RF片狀模塑料,制備PE-HD／rCF和PE-HD／RF復合材料進行對比。

1.4 性能測試

沖擊強度按照GB／T 1043–2008測試,支撐線之間的距離為40 mm,碰撞速度為3.8 m／s,試樣長度為50 mm,寬度為10 mm。沖擊面均為rCF面(H2和H5樣品除外),每個試樣取5個有效數(shù)據(jù),結果取平均值。

拉伸強度按照GB／T 1040–2008測試,加載速率為2 mm／min,拉伸試樣長度為150 mm,寬度為10 mm。每個試樣取5個有效數(shù)據(jù),結果取平均值。

斷面觀察：利用高清電子測量顯微鏡對7種復合材料的斷面進行觀測。

2 結果與討論

2.1 疊層順序對復合材料沖擊強度的影響

不同疊層順序下復合材料樣品的沖擊強度如圖1所示。

圖1 不同疊層順序下復合材料樣品的沖擊強度

從圖1可以看出,H1樣品的沖擊強度為72.15 kJ／m2,H2樣品的沖擊強度為 24.84 kJ／m2。雖然H3～H7樣品的種類和片數(shù)都相同,但是沖擊強度有較大的差異,H5樣品的沖擊強度最低,為20.34 kJ／m2,H3,H4,H6和H7樣品的沖擊強度明顯提高,其中H6樣品的沖擊強度最高,為40.23 kJ／m2,較H5樣品的沖擊強度提高97.79%,說明疊層順序對材料的沖擊強度有較大的影響。H5樣品的沖擊面為RF,其沖擊強度最低,而H3,H4,H6和H7樣品的沖擊面都為rCF,其沖擊強度都高于H5樣品。說明在低速沖擊層間混雜復合材料時,將rCF置于沖擊面可提高樣品的沖擊強度。這可能是因為rCF可吸收更多的沖擊能量,這與文獻[15]的研究結果相類似。試驗發(fā)現(xiàn),復合材料的損傷破壞形式都是纖維斷裂,rCF斷裂吸收的沖擊能量較高,這可能是沖擊面為rCF的復合材料沖擊強度較高的原因。

不同疊層順序下復合材料樣品沖擊斷面的高清電子測量顯微鏡照片如圖2所示。

圖2 不同疊層順序下復合材料樣品沖擊斷面的高清電子測量顯微鏡照片

從圖2可以看出,H1樣品的rCF層間容易分層,層間粘合性能較差,而H2樣品的RF層間粘合性能較好。H3樣品中的rCF分層也比較明顯,這是導致H3樣品沖擊強度在5種疊層結構混雜復合材料中相對不高的原因。H4樣品的rCF層和RF層形成夾心結構,在第一層的rCF吸收部分能量斷裂后,將部分沖擊能傳遞給芯部的RF,由于第二層的rCF限制了RF產生大的應變,因此第二層的rCF吸收能量后斷裂,這可能是H4樣品沖擊強度相對較高的原因。H6和H7樣品都是rCF和RF隔層排放的混雜結構,這種結構不易導致芯部突然坍塌[16],芯部的rCF提供了剛度和承載能力,而RF提供了更好的損傷容限,因此H6和H7樣品的沖擊強度相對較高。

2.2 疊層順序對復合材料拉伸性能的影響

不同疊層順序下復合材料的拉伸強度如圖3所示。

圖3 不同疊層順序下復合材料的拉伸強度

從圖3可看出,H1樣品的拉伸強度最高,為78.45 MPa,H2樣品的拉伸強度最低,為12.22 MPa,H3～H7樣品的拉伸強度界于兩者之間,H3樣品的拉伸強度為31.34 MPa,略高于H4樣品的29.11 MPa,與H7樣品的31.35 MPa相當,但是低于H5樣品的46.01 MPa和H6樣品的57.83 MPa,H6樣品是混雜結構中拉伸強最高的疊層結構,其拉伸強度達到H1樣品拉伸強度的73.7%。

不同疊層順序下復合材料樣品拉伸斷面的高清電子測量顯微鏡照片如圖4所示。

圖4 不同疊層順序下復合材料樣品拉伸斷面的高清電子測量顯微鏡照片

從圖4可看出,樣品的破壞最初都發(fā)生在rCF部分,當rCF失效后,隨著形變的進步一增大,RF開始承擔載荷,出現(xiàn)了RF和rCF之間的分層,并最終導致樣品拉伸破壞。

這是由于rCF的斷裂伸長率比PE-HD基體、RF的低,在緩慢施加拉伸載荷過程中,rCF首先發(fā)生斷裂,此種破壞稱之為首次破壞,當首次破壞發(fā)生后,混雜復合材料仍能有效地承載,隨著載荷的繼續(xù)增加 ,斷口附近的RF層因受到應力集中的作用也開始發(fā)生逐步破壞,直至樣品被拉斷形成最終破壞[17],因此,在拉伸測試中,也會出現(xiàn)不同疊層間分層的現(xiàn)象。對于rCF夾心層的H5和H6樣品,當芯層的rCF開始斷裂后,被斷裂伸長率較高的RF所包裹,兩側的RF能起到延緩rCF斷裂的作用,rCF仍能對混雜復合材料的強度有一定貢獻。同時當樣品中rCF出現(xiàn)較大裂紋并且橫向傳遞時,會被兩側的RF層所阻擋,獲得正混雜效應,因此其拉伸強度較高。H7樣品容易發(fā)生層間剝離,在rCF還沒有完全發(fā)揮效用時就已經發(fā)生破壞,不能發(fā)揮出正混雜效應,因此其拉伸強度反而降低。

3 結論

(1)疊層混雜結構的沖擊面纖維材料性質對復合材料整體沖擊性能有較大的影響,沖擊面為rCF的復合材料的沖擊強度高于沖擊面為RF的復合材料。在復合材料芯部,由rCF和RF疊層混雜可以進一步提高復合材料的沖擊強度。

(2)在拉伸試驗中,樣品的破壞首先發(fā)生在rCF部分,當rCF失效后,隨著形變的進一步增大,RF開始承擔載荷,出現(xiàn)RF和rCF之間的分層,并最終導致樣品破壞。在rCF夾心層樣品中,當樣品中rCF出現(xiàn)較大裂紋并且橫向傳遞時,被兩側的RF層所阻擋,獲得正混雜效應,但需要注意rCF層和RF層的層間剝離,以充分發(fā)揮rCF的拉伸強度。