城市景觀設(shè)計(jì)中碳纖維復(fù)合材料的制備與性能研究*

趙 晶

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710018）

碳纖維復(fù)合材料是一種同時(shí)具有碳材料固有本性又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性的新材料，與傳統(tǒng)碳素材料相比，碳纖維復(fù)合材料由于具有柔軟、可加工成各種織物，以及具有耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性[1]，而被廣泛應(yīng)用于在城市景觀建筑、鐵道交通和航空航天等領(lǐng)域。在應(yīng)用于城市景觀建筑時(shí)，碳纖維復(fù)合材料除需要具有良好的可加工性外，還需要具有足夠的強(qiáng)度和韌性以滿足多場合的應(yīng)用需求[2]，但是目前碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的加工成型較為困難，容易由于成型工藝控制不好而影響最終成型質(zhì)量以及力學(xué)性能，究其原因這主要與成型過程中熔融熱塑性樹脂粘度難以把握以及碳纖維織物間隙控制不當(dāng)?shù)扔嘘P(guān)[3-4]，而這方面的研究報(bào)道尚未徹底解決這些矛盾[5-6]。為了開發(fā)出適應(yīng)于景觀建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料，在基于成型工藝可控和良好強(qiáng)度和韌性的要求上，開展了成型工藝參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料形貌和力學(xué)性能影響方面的研究，結(jié)果將有助于新型碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)及在景觀建筑上的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料：T700SC碳纖維（單絲根數(shù)12000、密度1.79g/cm3、纖維直徑7μm、斷后伸長率2.2%、拉伸強(qiáng)度5.0GPa）；聚碳酸酯（密度1199kg/cm3、拉伸強(qiáng)度66MPa、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度154℃、熔化起始溫度219℃）。

采用模壓成型法制備城市景觀設(shè)計(jì)用碳纖維復(fù)合材料，成型工藝示意圖如圖1所示。在模壓成型前，需要將碳纖維原料和聚碳酸酯分別進(jìn)行剪裁，然后置于高純氬氣保護(hù)的真空電阻爐中進(jìn)行380℃/2h高溫除漿并空冷至室溫，將經(jīng)過除漿的碳纖維編制成景觀設(shè)計(jì)用織物（絲束間距0.5mm），在PB-240型平板硫化機(jī)上進(jìn)行模壓成型[7]，具體成型工藝參數(shù)見表1。

表1 碳纖維復(fù)合材料的成型參數(shù)Table 1 Molding parameters of carbon fiber composites

圖1 碳纖維復(fù)合材料的成型工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of forming process of carbon fiber composite

對成型碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行宏觀形貌拍攝；在成形碳纖維試樣上截取0°和45°拉伸試樣（圖2），按照ASTM D3039《聚合物基質(zhì)復(fù)合材料拉伸性能的試驗(yàn)方法》，在MTS-809型液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試；按照拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化處理，將不同成型工藝下的碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為碳纖維含量為50%的情況，標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度Rm可用式（1）表示[8]：

圖2 碳纖維復(fù)合材料的取樣示意圖Fig. 2 Sampling diagram of carbon fiber composite

式（1）中，Rr為碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際強(qiáng)度（MPa），V為碳纖維復(fù)合材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)。室溫沖擊性能測試按照ASTM D7136在XJJWD-50型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖3為不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的宏觀形貌，其中，成型壓力為6MPa、成形時(shí)間為10min。對比分析可知，模壓溫度為250℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的聚攏性相對較差，而模壓溫度為220℃和240℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料都呈現(xiàn)棋盤狀，碳纖維較為緊湊，且模壓溫度為240℃時(shí)的直線度最好。

圖3 不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的宏觀形貌Fig. 3 Macromorphology of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖4為模壓壓力對碳纖維復(fù)合材料的影響，其中，模壓溫度為240℃、成形時(shí)間為10min。對比分析可知，當(dāng)模壓壓力為1MPa和6MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料都體現(xiàn)出較好的聚攏性，平直度較好，而模壓壓力上升至9MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的聚攏性變差，表現(xiàn)在宏觀形貌上則呈現(xiàn)出沿著編織方向的白色線條。

圖4 模壓壓力對碳纖維復(fù)合材料形貌的影響Fig. 4 Effect of molding pressure on morphology of carbon fiber composites

圖5為模壓時(shí)間對碳纖維復(fù)合材料的影響，其中，模壓溫度為240℃、成型壓力為6MPa。對比分析可知，當(dāng)模壓時(shí)間為7min和8.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的成型性相對較好，碳纖維復(fù)合材料表面的碳纖維較為緊湊，而模壓時(shí)間上升為11.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的聚攏性變差，表面可見沿編織方向的白色線條。

圖5 模壓時(shí)間對碳纖維復(fù)合材料形貌的影響Fig. 5 Effect of molding time on morphology of carbon fiber composites

從圖3～圖5的不同模壓工藝參數(shù)下碳纖維復(fù)合材料的形貌可知，模壓壓力過大、模壓溫度過高或者模壓時(shí)間過長，都不利于碳纖維復(fù)合材料的成型，在模壓溫度為240℃、成型壓力為6MPa、模壓時(shí)間為8.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有較好的成型質(zhì)量。

2.2 拉伸性能和沖擊性能

圖6為不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能。隨著模壓溫度的升高，圖6（a）和圖6（b）中的碳纖維復(fù)合材料實(shí)際抗拉強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都先增加后減小，實(shí)際抗拉強(qiáng)度最大值在模壓溫度240℃時(shí)取得。這主要是因?yàn)殡S著模壓溫度從220℃上升至250℃，熔融基體樹脂粘度會(huì)逐漸降低，碳纖維的浸潤效果提升，界面性能得到改善，拉伸強(qiáng)度得到提升，但是溫度過高，粘度的進(jìn)一步降低會(huì)影響流動(dòng)性造成平紋結(jié)構(gòu)破壞[9]，拉伸強(qiáng)度反而會(huì)減小。

圖6 不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖7為不同模壓溫度碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能測試結(jié)果。與拉伸強(qiáng)度隨著模壓溫度的變化趨勢一致的是，碳纖維復(fù)合材料的沖擊功和峰值力也隨著模壓溫度升高而先增大后減小，沖擊功最大值在模壓溫度240℃時(shí)取得。模壓溫度對碳纖維復(fù)合材料沖擊性能的影響與溫度變化帶來熔融基體樹脂粘度改變有關(guān)，適宜的模壓溫度有助于復(fù)合材料成型[10]，而溫度過高會(huì)破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)而降低沖擊性能。

圖7 不同模壓溫度碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能Fig.7 Impact properties of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖8為不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能，取樣為0°方向。碳纖維復(fù)合材料試樣的實(shí)際抗拉強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都隨著模壓壓力升高而先增加后減小，最大值在模壓壓力為3MPa時(shí)取得。這主要是因?yàn)殡S著模壓壓力的升高，碳纖維復(fù)合材料中的絲束間隙會(huì)發(fā)生改變而影響整體結(jié)構(gòu)，在較小的壓力下，碳纖維復(fù)合材料絲束間間隙相對較小，承受拉伸載荷的作用較強(qiáng)而具有較大的拉伸強(qiáng)度[11]，而模壓壓力過大會(huì)增大間隙而減小拉伸強(qiáng)度。

圖8 不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of carbon fiber composites under different molding pressures

圖9為不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的室溫沖擊性能測試結(jié)果。沖擊性能隨著模壓壓力的變化趨勢與拉伸性能相似，即表現(xiàn)為沖擊功和峰值力隨著模壓壓力增加而先增大后減小，最大值在6MPa時(shí)取得。模壓壓力過小不足以使得碳纖維與熔融基體產(chǎn)生協(xié)同作用，沖擊過程中的應(yīng)力無法傳遞至碳纖維上造成沖擊性能較低[12]，而當(dāng)模壓壓力為6MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的成型質(zhì)量較好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊湊，沖擊性能最佳；如果成型壓力過大，碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部間隙過大而影響整體結(jié)構(gòu)[13]，沖擊性能反而減小。

圖9 不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的室溫沖擊性能Fig. 9 Room temperature impact properties of carbon fiber composites with different molding pressures

圖10為不同模壓時(shí)間碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能測試結(jié)果，模壓溫度為240℃、模壓壓力為6MPa。碳纖維復(fù)合材料試樣的抗拉強(qiáng)度隨著模壓時(shí)間延長而先增大后減小，最大值在模壓時(shí)間10min時(shí)取得。這主要是因?yàn)槟撼尚瓦^程中碳纖維與熔融基體之間的浸潤需要一定的時(shí)間，如果成型時(shí)間過短，浸潤不充分會(huì)造成成型質(zhì)量較差而影響拉伸強(qiáng)度；但是如果成型時(shí)間過長，碳纖維復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生溢料現(xiàn)象而對碳纖維絲束產(chǎn)生沖散作用，影響整體質(zhì)量而降低拉伸強(qiáng)度。因此，碳纖維復(fù)合材料適宜的模壓時(shí)間為10min。此外，無論是0°還是45°碳纖維復(fù)合材料試樣，拉伸強(qiáng)度隨著模壓時(shí)間的變化趨勢基本一致，并沒有出現(xiàn)明顯各向異性。

圖10 不同模壓時(shí)間碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能測試結(jié)果Fig. 10 Test results of tensile properties of carbon fiber composites with different molding time

3 結(jié)論

（1）模壓溫度為250℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的聚攏性相對較差，而模壓溫度為220℃和240℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料都呈現(xiàn)棋盤狀，碳纖維較為緊湊，且模壓溫度為240℃時(shí)的直線度最好。當(dāng)模壓壓力為1MPa和6MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料都體現(xiàn)出較好的聚攏性，平直度較好。當(dāng)模壓時(shí)間為7min和8.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的成型性相對較好，碳纖維復(fù)合材料表面的碳纖維較為緊湊，而模壓時(shí)間上升為11.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的聚攏性變差。

（2）碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能會(huì)隨著模壓溫度升高或者模壓壓力增大而先增加后減小。碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著模壓溫度升高、模壓壓力增大或者模壓時(shí)間延長而先增加后減小。

（3）適宜的成型工藝為：模壓溫度、模壓壓力和模壓時(shí)間分別為240℃、6MPa和10min。