碳纖維增強體育復(fù)合材料制備及性能試驗

黃麗群

（惠州衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東惠州516000）

環(huán)氧樹脂碳纖維材料憑借其良好的抗疲勞性和抗腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于體育器材領(lǐng)域。但隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料在固化后，橫向拉伸性能變差，抗沖擊能力變?nèi)?，從而限制了材料的商用。為促進環(huán)氧樹脂碳纖維材料的應(yīng)用，沙迪[1]等采用熱壓成型技術(shù)制備碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，結(jié)果表明該方法制備的材料具有良好的拉伸性能；鄭志才[2]則采用碳納米管對環(huán)氧樹脂體系以及碳纖維進行改性，從而增強了環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的整體性能。從以上研究看出，復(fù)合材料成型和改性是提升碳纖維復(fù)合材料的有效方式，但具體成型方法和改性方式還存在很大提升空間，特別是在材料的拉伸和耐沖擊方面。基于此，本試驗在用納米二氧化硅改性基礎(chǔ)上，嘗試采用目前最新的真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制備SiO2改性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，從而提升環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗材料：納米SiO2（廣州南硅化工有限公司，納米級）、環(huán)氧樹脂（青島百辰新材料科技有限公司）、碳纖維織布（河北富瑞復(fù)合材料有限公司）。

試驗儀器：電子天平（河北德科機械科技有限公司，H0503）、真空干燥箱（鞏義市宏華儀器設(shè)備工貿(mào)有限公司，DZF-6050）、高速剪切儀（滄州晟鎧儀器設(shè)備有限公司，GS-1）、超聲波清洗機（常州國華電器有限公司，CS-1）、電子萬能試驗機（協(xié)強儀器制造（上海）有限公司，CTM2050）、落錘式?jīng)_擊實驗機（江蘇維科特儀器儀表有限公司，WKT-LC200）。

1.2 試驗步驟

1.2.1 納米二氧化硅環(huán)氧樹脂分散物制備

（1）用H0503型電子天平稱取300g環(huán)氧樹脂，然后置于DZF-6050型真空干燥箱內(nèi)，在45℃條件下加熱5min。

（2）稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、3%的納米SiO2。

（3）將預(yù)熱后環(huán)氧樹脂取出，然后調(diào)整GS-1型高速剪切儀高度，將轉(zhuǎn)頭放入環(huán)氧樹脂正中間，放置時要注意轉(zhuǎn)頭緊貼杯壁。

（4）打開高速剪切儀，調(diào)整轉(zhuǎn)速至10000r/min。將納米二氧化硅平均分成三份，每隔10min在環(huán)氧樹脂中加入一份納米SiO2，直至納米SiO2加完。攪拌過程中，不斷改變轉(zhuǎn)頭的位置，避免出現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象。

（5）提前將CS-1型超聲波清洗機預(yù)熱至60℃，然后將攪拌均勻的環(huán)氧樹脂混合物放入超聲波清洗機。打開超聲波清洗機對混合物進行超聲震蕩。超聲溫度、功率和時間分別為60℃、40kHz和60min。

1.2.2 VARTM成型工藝制備改性后的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料

（1）提前在光滑剛性玻璃模具上分3次涂抹脫模蠟，每次涂抹都需等到脫模蠟完全干透方可繼續(xù)涂抹。將脫模布置于提前處理過的玻璃模具上，放置時要注意鋪放整齊，然后將6層碳纖維布按照統(tǒng)一方向鋪放在脫模布上，最后根據(jù)要求放置導(dǎo)流管和螺旋管[3]。鋪設(shè)工藝如圖1所示。

圖1 VARTM 成型工藝鋪設(shè)Fig. 1 VARTM forming process and laying

（2）將材料鋪設(shè)好后，在其四周隔取一定距離粘貼密封膠帶，然后將真空薄膜袋黏貼在密封膠帶上。粘貼真空薄膜袋時要注意薄膜袋與密封膠帶間不要留有空隙，避免試驗失敗[4]。

（3）用止流鉗將樹脂兩側(cè)真空管夾緊，打開真空泵開關(guān)，待真空表指針指向-0.1MPa，確定是否漏氣。若密封狀態(tài)良好，將納米無機粒子環(huán)氧樹脂分散劑與固化劑按照5:1比例混合均勻，然后導(dǎo)入玻璃模具中，最后將兩端樹脂夾緊。

（4）將玻璃模具置于室溫條件下固化，一段時間后的，取出完全固化的復(fù)合材料。觀察復(fù)合材料表面是否完整，有無浸潤不完全，氣泡和干斑現(xiàn)象出現(xiàn)。如有上述情況出現(xiàn)需舍棄。

1.3 性能測定

1.3.1 橫向拉伸性能測定

（1）參照ASTM D3039，將復(fù)合材料切割成尺寸為25mm（長）×125mm（寬）×2mm（高）的拉伸試驗樣品，每組5個試樣，共3組。

（2）將引伸計用皮筋固定在試樣上，然后調(diào)節(jié)CTM2050型電子萬能試驗機上下夾頭，使上下夾頭保持一定距離。將試樣的上下兩端置于萬能試驗機上下卡具中部，調(diào)整上下夾頭距離，確保試樣保持垂直對準(zhǔn)中心，同時不受卡具壓力。

（3）開啟電子萬能試驗機，以2mm/min的加載速度對試件施加荷載。

1.3.2 沖擊性能測定

（1）參照ASTM 7136，取25mm（長）×150mm（寬）×2mm（高）樣品，同樣每組5個，共3組。

（2）提前對試件表面中心位置進行標(biāo)記，置于WKT-LC200型落錘式?jīng)_擊實驗機夾具適當(dāng)位置，最后將試件鎖死。

（3）選擇直徑為16mm的球形沖頭進行測試。將沖頭對準(zhǔn)試件中心的落下，觀察試件變化，并繪制沖擊載荷-時間曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的橫向拉伸性能

表1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料橫向拉伸性能測定結(jié)果。由表1可知，隨納米SiO2含量的增加，復(fù)合材料拉伸性能表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，復(fù)合材料性能最佳。此時復(fù)合材料橫向拉伸強度為41.7MPa；拉伸模量為79.9GPa；斷裂伸長率為0.5%；拉伸強度和模量分別比純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料提高了124%和98%。納米SiO2改性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料拉伸性能出現(xiàn)先增加后減小變化的原因是納米SiO2粒子粒徑小，比表面積大，能夠與高分子材料很好地相容[5-6]。與環(huán)氧樹脂結(jié)合時，能產(chǎn)生更多的Si-O化學(xué)鍵，在拉伸過程中對微裂縫的長大延伸起到延緩和鈍化作用，使得復(fù)合材料拉伸性能有所提升[7]。隨著納米SiO2含量的增加，在體系內(nèi)易出現(xiàn)聚集成團的現(xiàn)象，使得納米SiO2無法在環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料中分散均勻。復(fù)合材料受外部荷載時，微裂紋瞬間成為宏觀斷裂，導(dǎo)致其性能下降。同時，納米SiO2含量的增加會導(dǎo)致混合溶液粘度變大，不利于VARTM 成型工藝對復(fù)合材料改性。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2改性材料橫向拉伸性能測定結(jié)果Table 1 Test results of transverse tensile properties of SiO2 modified materials with different SiO2 mass fractions

2.2 納米SiO2改性復(fù)合材料沖擊性能

圖2、圖3分別表示在20J沖擊能量下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米SiO2改性環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的沖擊載荷、能量與時間的關(guān)系曲線。由圖2可知，經(jīng)納米SiO2改性，復(fù)合材料沖擊荷載隨時間的變化規(guī)律呈現(xiàn)為類正弦變化。在沖擊初始階段，沖擊載荷隨時間的增加而增加，但未經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料載荷-時間曲線變化增長速度要大于經(jīng)納米SiO2改性的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料。這是因為環(huán)氧樹脂碳纖維經(jīng)納米SiO2改性后，碳碳鍵總鍵能比硅氧鍵鍵能高，使得其耐沖擊能力增加[8]。試驗結(jié)果表明，經(jīng)納米SiO2改性的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊力為2216N，比純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊力1615N提高23%左右。這是因為在改性過程中，納米粒子提高了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度[9]。在承受沖擊載荷時，SiO2能承擔(dān)傳遞部分載荷，再加上納米SiO2粒子比表面積大，表面羥基含量高，化學(xué)性能活潑，與環(huán)氧樹脂接觸機會大，使得其沖擊性能大大增加[10]。

圖2 納米SiO2改性復(fù)合材料沖擊載荷-時間曲線Fig. 2 Impact load-time curve of nano silica modified composite

圖3 納米SiO2改性復(fù)合材料能量-時間曲線Fig. 3 Energy-time curve of nano silica modified composites

由圖3可知，兩種復(fù)合材料的能量-時間曲線在迅速增加至20J能量后，開始趨于平衡。納米SiO2改性復(fù)合材料曲線增長速度相對較快，這說明沖擊作用時間較少，能夠提前達到最大沖擊力。

3 結(jié)論

本文利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制備納米SiO2改性環(huán)氧樹脂基碳纖維的復(fù)合材料，得出以下結(jié)論：

（1）橫向拉伸試驗結(jié)果表明，隨納米SiO2含量的增加，復(fù)合材料橫向拉伸性能表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，復(fù)合材料橫向拉伸性能最佳，此時復(fù)合材料橫向拉伸強度為41.7MPa，拉伸模量為79.9GPa，斷裂伸長率為0.5%。

（2）復(fù)合材料沖擊試驗結(jié)果表明，納米SiO2能一定程度提高環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料沖擊性能。純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊載荷為1615N，經(jīng)納米SiO2改性后，復(fù)合材料最大沖擊載荷提升至2216N。能量-時間曲線結(jié)果表明，經(jīng)改性后的復(fù)合材料增長至20J能量的時間較短，能夠提前達到最大沖擊力。