基于電氣控制的碳纖維金屬層板的制備與性能研究

蔡紹榮，何志強，江 栗，陶宇軒， 沈 力 ，晏小彬

（1國家電網(wǎng)有限公司西南分部，四川成都 610041；2中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川成都 610000）

碳纖維增強金屬層壓板是一種利用膠黏劑把兩層或更多層金屬薄板（通常為鋁合金）和夾在薄板之間的增強碳纖維膠接在一起制成的金屬層板復(fù)合材料［1］，這種新型結(jié)構(gòu)材料具有組成材料各自的優(yōu)點，且具有抗疲勞抗損傷性能好，耐環(huán)境和耐雷性能優(yōu)異等特點［2-3］，在現(xiàn)代化航空航天、船舶等領(lǐng)域有著較為廣闊的應(yīng)用前景。碳纖維金屬層板復(fù)合材料的力學(xué)性能除與制成復(fù)合材料的原始材料，如碳纖維、鋁合金等的基礎(chǔ)性能有關(guān)外，在制備過程中的各種材料之間的良好界面結(jié)合性能是影響復(fù)合材料最終力學(xué)性能的重要因素［4］，通過對鋁合金進(jìn)行陽極氧化的方法可以在鋁合金表面形成多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強鋁合金與基體的結(jié)合力，此外，碳纖維的預(yù)浸漬工藝也會對碳纖維和基體的界面結(jié)合產(chǎn)生重要影響，而目前關(guān)于陽極氧化工藝參數(shù)和碳纖維預(yù)浸漬對碳纖維增強金屬層壓板復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律并不清楚［5-8］。本文基于電氣控制陽極氧化工藝參數(shù)，考察了磷酸溶液濃度、氧化時間、氧化溫度、氧化電壓對鋁合金陽極氧化表面形貌的影響，并在最優(yōu)化工藝下對比分析了碳纖維預(yù)浸漬對金屬層壓板彎曲性能、沖擊性能和剪切性能的影響，結(jié)果可為高綜合性能的碳纖維增強金屬層壓板的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗原料

威海光威復(fù)合材料股份有限公司提供的T300-3K碳纖維，盛泰塑料制品有限公司提供的B500F尼龍6，西南鋁業(yè)股份有限公司提供的厚0.5mm的6061鋁合金板。

1.2 試樣制備

預(yù)先將碳纖維加工成100mm×100mm，在體積分?jǐn)?shù)75%的甲酸溶劑中浸泡24h，清水沖洗后置于烘箱中（55℃）進(jìn)行烘干處理，取出后浸潤在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的PA6/乙醇溶液中(24h)，然后轉(zhuǎn)入通風(fēng)櫥中將碳纖維表面乙醇揮發(fā)，再轉(zhuǎn)入55℃烘箱中烘干。將鋁合金加工成100mm×100mm×0.5mm，依次進(jìn)行丙酮除油、堿洗和酸洗，然后在基于電氣控制的陽極氧化裝置中對鋁合金進(jìn)行表面陽極氧化處理，電氣控制陽極氧化工藝參數(shù)［9］。采用PV-8型熱壓機制備碳纖維金屬層板復(fù)合材料，上模和下模溫度分別為220℃和230℃，擠壓壓力為5MPa、持續(xù)15min。

1.3 測試方法

采用線切割的方法加工力學(xué)性能測試試樣，尺寸示意圖如圖1所示。根據(jù)ASTM D7264《樹脂基復(fù)合材料彎曲性能測試標(biāo)準(zhǔn)方法》在MTS-810型液壓萬能試驗機上進(jìn)行彎曲性能測試，跨距64mm、加載速度1mm/min，取6個試樣的平均值作為測試結(jié)果；根據(jù)ASTM D2344-16 《聚合物基復(fù)合材料及其層壓材料短梁強度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》在試驗機上進(jìn)行三點彎曲實驗，跨距16mm、加載速度2mm/min，取6個試樣的平均值作為測試結(jié)果；根據(jù)ASTM D256 - 10《測定塑料抗懸臂梁擺錘沖擊性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》在GX-5017 型懸臂梁沖擊試驗機上進(jìn)行，取6個試樣的平均值作為測試結(jié)果；采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡對鋁合金表面形貌和斷口形貌進(jìn)行觀察。

圖1 力學(xué)性能測試試樣的尺寸示意圖Fig. 1 Size diagram of mechanical property test sample

2 試驗結(jié)果與分析

圖2為磷酸溶液濃度對多孔氧化鋁表面形貌的影響，其中，氧化時間、電壓和溫度分別為5min、120V和15℃。對比分析可知，不同磷酸溶液濃度下形成的納米孔的形貌存在明顯差異，當(dāng)磷酸溶液濃度為15g/L時，鋁合金材料表面已經(jīng)形成了孔徑約58nm的納米孔；當(dāng)磷酸溶液濃度增加至30g/L時，鋁合金材料表面納米孔孔徑明顯增加，平均孔徑約128nm，且此時孔徑相較于磷酸溶液濃度為15g/L時的納米孔呈現(xiàn)出更加規(guī)則的圓形；繼續(xù)增加磷酸溶液濃度至45g/L時，納米孔的孔徑進(jìn)一步增大且變得更加均勻，但是由于納米孔在生長過程中發(fā)生了擠壓和吞并現(xiàn)象［10］，使得深度方向上的納米孔顯得薄而脆。

圖2 磷酸溶液濃度對多孔氧化鋁表面形貌的影響Fig. 2 Effect of phosphoric acid solution concentration on surface morphology of porous alumina

圖3為氧化電壓對多孔氧化鋁表面形貌的影響，其中，氧化時間、溫度和磷酸溶液濃度分別為5min、15℃和30g/L。對比分析可知，不同氧化電壓下形成的納米孔的形貌也出現(xiàn)了顯著差異，當(dāng)氧化電壓為100V時，鋁合金材料表面已經(jīng)形成了孔徑較小且不規(guī)則形狀的納米孔，平均孔徑約68nm；當(dāng)氧化電壓增加至110V，鋁合金材料表面納米孔逐漸演變成圓形，較大孔徑增大至148nm，但是孔徑尺寸并不均勻；當(dāng)氧化電壓增加至120V，鋁合金材料表面納米孔孔徑變得愈發(fā)均勻，最大可達(dá)178nm；當(dāng)氧化電壓增加至130V，鋁合金材料表面納米孔會由于過度氧化而發(fā)生擠壓和吞并［11］。圖4為溫度對多孔氧化鋁表面形貌的影響，其中，氧化時間、氧化電壓和磷酸溶液濃度分別為5min、120V和30g/L。對比分析可知，不同溫度下形成的納米孔的形貌也出現(xiàn)了顯著差異，當(dāng)溫度為5℃時，鋁合金材料表面可見形狀不規(guī)則的納米孔，較大孔徑約98nm；當(dāng)溫度增加至15℃，鋁合金材料表面納米孔逐漸演變成圓形，孔徑大小變得均勻，較大孔徑增大至148nm；當(dāng)溫度增加至25℃，鋁合金材料表面納米孔會由于劇烈反應(yīng)而發(fā)生擠壓和吞并等破壞。

圖3 氧化電壓對多孔氧化鋁表面形貌的影響Fig. 3 Effect of oxidation voltage on surface morphology of porous alumina

圖4 溫度對多孔氧化鋁表面形貌的影響Fig. 4 Effect of temperature on surface morphology of porous alumina

表1為碳纖維金屬層板的力學(xué)性能。其中，6061+Er鋁合金預(yù)先在30g/L磷酸溶液中進(jìn)行了陽極氧化處理（氧化電壓、溫度和時間分別為30V、15℃和5min），碳纖維分為兩種：未進(jìn)行預(yù)浸漬和經(jīng)過預(yù)浸漬（4%的PA6/乙醇溶液）。碳纖維金屬鋁層壓復(fù)合材料是將經(jīng)過陽極氧化處理的鋁合金片、碳纖維和尼龍疊層鋪放在模具（100mm×100mm）中，在熱壓成型機上熱壓成型制得［12］。相較于未經(jīng)預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板，經(jīng)過預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板的沖擊強度、剪切強度和彎曲強度分別提高了19.38%、4.55%和22.08%。由此可見，在制備碳纖維金屬層板前，將碳纖維預(yù)先進(jìn)行浸漬處理，可以一定程度提高復(fù)合材料的沖擊強度、剪切強度和彎曲強度，這主要是因為經(jīng)過預(yù)浸漬處理的碳纖維與尼龍基體的粘結(jié)強度會增大，并在沖擊、剪切和彎曲過程中抑制碳纖維的拔出，增加阻力的同時起到了提高力學(xué)性能的作用［13］。

表1 碳纖維金屬層板的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of carbon fiber metal laminates

圖5為預(yù)浸漬前后碳纖維金屬層板的拉伸斷口形貌。對于未預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板，斷口形貌中可見碳纖維的拔出較為雜亂，局部可見碳纖維發(fā)生了扭曲，而預(yù)浸漬后碳纖維金屬層板中的碳纖維長短不一，碳纖維周圍可見尼龍包覆現(xiàn)象；此外，未預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板的斷口形貌中的碳纖維表面基本未見尼龍粘接現(xiàn)象，且由于碳纖維與基體的結(jié)合力較差，碳纖維與基體的界面還可見明顯分層現(xiàn)象；經(jīng)過預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板，由于預(yù)浸漬后碳纖維與基體的結(jié)合力較大，斷口形貌中可見碳纖維束之間存在尼龍粘接，且碳纖維與基體的界面的分層現(xiàn)象較少。預(yù)浸漬前后碳纖維金屬層板的斷口形貌的觀察結(jié)果與表1的力學(xué)性能測試結(jié)果相吻合。

圖5 預(yù)浸漬前后碳纖維金屬層板的拉伸斷口形貌Fig. 5 Tensile fracture morphology of carbon fiber metal laminate before and after pre impregnation

3 結(jié)論

（1）當(dāng)采用電氣控制，磷酸溶液濃度為30g/L、氧化時間為5min、氧化溫度為15℃、氧化電壓為120V時，鋁合金材料表面可見尺寸均勻、孔徑較大的納米孔，為適宜的陽極氧化工藝。

（2）相較于未經(jīng)預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板，經(jīng)過預(yù)浸漬的碳纖維金屬層板的沖擊強度、剪切強度和彎曲強度分別提高了19.38%、4.55%和22.08%。預(yù)浸漬前后碳纖維金屬層板的斷口形貌的觀察結(jié)果與力學(xué)性能測試結(jié)果一致。