應(yīng)用在橋梁施工中碳纖維復(fù)合材料的制備工藝研究

謝建武

（天津交通職業(yè)學(xué)院,天津300112）

國內(nèi)橋梁建設(shè)在近年來得到了迅猛發(fā)展,這主要與國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、橋梁施工技術(shù)取得長足進(jìn)步以及橋梁用材不斷升級(jí)等[1]有關(guān),尤其是近些年國內(nèi)橋梁建設(shè)一直呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的態(tài)勢,按照預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)內(nèi)容建造橋梁,需要從橋梁所需的原材料等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制,而隨著國內(nèi)重載型汽車等逐步增多,現(xiàn)代化橋梁的承重難題逐漸顯現(xiàn),而實(shí)現(xiàn)橋梁輕量化和提高橋梁用材抵抗彎曲的強(qiáng)度都是可行的方案[2]。碳纖維復(fù)合材料由于密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)有望在橋梁施工管理中應(yīng)用,然而目前的碳纖維復(fù)合材料的研究多集中在短切碳纖維上[3-4],而在長碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料方面的研究報(bào)道較少,加工成型工藝及其對彎曲強(qiáng)度的影響規(guī)律也不清楚[5-7]。在此基礎(chǔ)上,本文選取長碳纖維和樹脂為原料,考察了模壓成型工藝對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響,結(jié)果將有助于高性能碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)和推動(dòng)其在橋梁施工中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

樹脂基體為長春吉大特塑工程研究有限公司提供的含二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚芳醚腈砜（粘度0.51、5%熱失重519.2、殘?zhí)柯?0.44%）；增強(qiáng)材料為日本東麗公司提供的T700型長碳纖維（長度25mm、拉伸強(qiáng)度5200MPa、拉伸模量265GPa、斷后伸長率1.98%、密度1.82g/cm3）。

主要設(shè)備：蘇州捷和實(shí)業(yè)有限公司的XLB-D0.25型真空模壓機(jī)；上海恒黔科技有限公司的HOCHECK真空烘箱；美國MTS公司的INSTRON 3382型萬能試驗(yàn)機(jī)；日本JEOL公司的IT500型鎢燈絲掃描電鏡。

1.2 試件制備

將含二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚芳醚腈砜進(jìn)行水煮24h后,置于氯仿溶液中進(jìn)行溶解,過濾后沉降出樹脂并真空烘干,然后在真空烘箱中進(jìn)行120℃保溫5h的干燥處理,然后真空保存。將經(jīng)過預(yù)處理的含二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚芳醚腈砜與氯仿按照體積比1：30的比例進(jìn)行混合,攪拌均勻后得到樹脂溶液,將樹脂溶液與碳纖維按照每300mL加入5g的比例進(jìn)行混合,利用高溫模壓成型機(jī)制備碳纖維復(fù)合材料板[8]。溶液導(dǎo)入導(dǎo)槽中后進(jìn)行超聲振動(dòng)處理15min,待溶劑揮發(fā)后將預(yù)浸料置于真空烘箱中進(jìn)行155℃/24h熱處理,再進(jìn)行模壓成型。

1.3 測試方法

根據(jù)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》,將碳纖維復(fù)合材料加工成啞鈴形狀（寬10mm、長100mm、跨厚比16）,采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行速率為2mm/min的彎曲試驗(yàn),最終結(jié)果取5組試樣的平均值；彎曲試驗(yàn)后的試樣斷面形貌采用IT-500型掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為模壓溫度對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響,分別列出了模壓溫度為355℃、360℃、365℃和370℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度,此時(shí)長碳纖維體積含量為40%、壓力設(shè)定為8MPa、模壓成型時(shí)間為60min。當(dāng)模壓溫度為355℃時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為328MPa；隨著模壓溫度升高,碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小,在模壓溫度為360℃時(shí)取得最大值（384MPa）。這是由于模壓溫度較低時(shí),碳纖維復(fù)合材料中的樹脂浸潤不夠充分,外加載荷作用下不能均勻受力[9]；當(dāng)模壓溫度較高時(shí),碳纖維雖然能夠在熔融樹脂中充分浸潤,但是過高的溫度會(huì)使得樹脂發(fā)生一定程度分解[10],造成碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度降低。通過考察模壓溫度對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響可知,碳纖維復(fù)合材料適宜的模壓溫度為360℃。

圖1 模壓溫度對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effect of molding temperature on bending strength of carbon fiber composites

圖2為模壓壓力對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響,分別列出了模壓壓力為6MPa、8MPa、10MPa、12MPa和14MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度,此時(shí)長碳纖維體積含量為40%、模壓溫度為360℃、模壓成型時(shí)間為60min。當(dāng)模壓壓力為6MPa時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為300MPa；隨著模壓壓力升高,碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小,在模壓壓力為10MPa時(shí)取得最大值（372MPa）。這是由于模壓壓力較低時(shí),碳纖維復(fù)合材料中存在一定的空隙等缺陷[11],彎曲強(qiáng)度較低；當(dāng)模壓壓力過大時(shí),雖然足夠大的模壓壓力有助于碳纖維在熔融樹脂中的浸潤效果,但是樹脂和碳纖維在模壓過程中容易出現(xiàn)貧膠現(xiàn)象,局部區(qū)域還可能出現(xiàn)碳纖維的斷裂,碳纖維的彎曲強(qiáng)度反而有所減小,且成型過程中還可能造成脫模困難的問題[12]。通過考察模壓壓力對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響可知,碳纖維復(fù)合材料適宜的模壓壓力為10MPa。

圖2 模壓壓力對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of molding pressure on bending strength of carbon fi ber composites

圖3為成型時(shí)間對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響,分別列出了模壓成型時(shí)間為40min、50min、60min和70min時(shí)碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度,此時(shí)長碳纖維體積含量為40%、溫度設(shè)定為360℃、模壓壓力為10MPa。當(dāng)模壓時(shí)間為40min時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為315MPa；隨著模壓成型時(shí)間升高,碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小,在模壓成型時(shí)間為60min時(shí)取得最大值。這是由于模壓成型時(shí)間較短時(shí),碳纖維和熔融樹脂之間還沒浸潤充分,碳纖維彎曲強(qiáng)度較低；模壓成型時(shí)間過長,雖然熔融樹脂可以與碳纖維充分浸潤,但是熔融樹脂可能出現(xiàn)局部老化降解[13],導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度降低。通過考察模壓成型時(shí)間對碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響可知,碳纖維復(fù)合材料適宜的模壓成型時(shí)間為60min。

圖4為碳纖維復(fù)合材料中長碳纖維體積含量對彎曲強(qiáng)度的影響,分別列出了長碳纖維體積含量為0%～50%時(shí)碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度,此時(shí)模壓溫度為360℃、模壓壓力為10MPa、模壓成型時(shí)間為60min。當(dāng)長碳纖維體積含量為0%時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為122MPa；長碳纖維含量為20%～50%的碳纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度都高于0%的試樣,且隨著長碳纖維體積含量增加,碳纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在長碳纖維體積含量為45%時(shí)取得最大值。這是由于碳纖維自身具有較高的強(qiáng)度,在復(fù)合材料中可以起到增筋作用而承受更高的載荷,且這種增強(qiáng)作用通常會(huì)隨著長碳纖維體積含量的增加而增大,但是如果長碳纖維體積含量過高,碳纖維會(huì)在復(fù)合材料中的浸潤效果會(huì)減弱,局部還可能出現(xiàn)纏結(jié)而產(chǎn)生應(yīng)力集中[14],多方面共同作用下會(huì)使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度減小。通過考察碳纖維復(fù)合材料中長碳纖維體積含量對彎曲強(qiáng)度的影響可知,碳纖維復(fù)合材料適宜的長碳纖維體積含量為45%。

圖4 碳纖維復(fù)合材料中長碳纖維體積含量對彎曲強(qiáng)度的影響Fig. 4 Effect of volume content of long carbon fiber in carbon fiber composites on flexural strength

圖5為碳纖維復(fù)合材料的斷面形貌?？梢?在碳纖維復(fù)合材料斷裂后,長碳纖維體積含量為25%～50%時(shí)碳纖維復(fù)合材料的斷面中都可見被拔出的碳纖維殘留的孔洞,且碳纖維表面較為光滑,這主要是由于熔融浸潤法制備的碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維與樹脂只是發(fā)生了物理結(jié)合[15],且模壓過程中由于模壓工藝的緣故,碳纖維與樹脂還有可能出現(xiàn)未浸潤等現(xiàn)象,因此,其彎曲強(qiáng)度會(huì)受到模壓壓力、模壓成型時(shí)間等的影響,但是相對而言,長碳纖維含量為45%時(shí)碳纖維在復(fù)合材料中的浸潤效果較好,對復(fù)合材料的增強(qiáng)作用達(dá)到最佳,為適宜的長碳纖維添加量。繼續(xù)增加長碳纖維體積含量,會(huì)在局部產(chǎn)生纏結(jié)和聚集,外加應(yīng)力作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中而降低彎曲強(qiáng)度。

圖5 碳纖維復(fù)合材料的斷面形貌 Fig.5 Cross section morphology of carbon fiber composites

3 結(jié)論

（1）當(dāng)模壓溫度為355℃時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為328MPa；隨著模壓溫度升高,碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小,在模壓溫度為360℃時(shí)取得最大值（384MPa）。

（2）當(dāng)模壓壓力為6MPa時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為300MPa；隨著模壓壓力升高,碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小,在模壓壓力為10MPa時(shí)取得最大值（372MPa）。

（3）當(dāng)模壓時(shí)間為40min時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為315MPa；隨著模壓成型時(shí)間延長,碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小,在模壓成型時(shí)間為60min時(shí)取得最大值。

（4）當(dāng)長碳纖維體積含量為0%時(shí),碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為122MPa；長碳纖維含量為20%～50%的碳纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度都高于0%的試樣,且隨著長碳纖維體積含量增加,碳纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在長碳纖維體積含量為45%時(shí)取得最大值。