既有建筑隔震碳纖維復(fù)合材料的性能測試

王述超 李琦

摘要：采用快速模壓成型法制備了建筑隔震碳纖維復(fù)合材料，研究了模壓壓力、加壓溫度和固化溫度對碳纖維復(fù)合材料拉伸性能和摩擦性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)模壓壓力從6 MPa上升至14 MPa 時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都呈現(xiàn)先增加后減小，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大；當(dāng)加壓溫度從100℃上升至130℃時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都先增大后逐漸減小，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大；當(dāng)固化溫度從130℃上升至160℃時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都先增大后逐漸減小，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。適宜的建筑隔震碳纖維復(fù)合材料制備工藝為：模壓壓力10 MPa、加壓溫度110℃、固化溫度140℃。

關(guān)鍵詞：隔震碳纖維復(fù)合材料；模壓壓力；加壓溫度；固化溫度；力學(xué)性能

中圖分類號：U465.6；TQ342.742??????? 文獻標(biāo)志碼：A?????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0060-05

Performance test of carbon fiber material for seismicisolation of existing buildings

WANG Shuchao1，LI Qi2

（1. Xinyang Normal University，Xinyang 464000，Henan China；2. Zhengzhou University，Zhengzhou 450006，China）

Abstract： Seismic isolation carbon fiber compositeswere prepared by rapid molding method. The effects of molding pressure，compression temperature and curing temperature on the tensile and friction properties of carbon fiber com- posites were studied. The results showed that when the molding pressure increased from 6 Mpa to 14 MPa，the ten- sile strength and standardized tensile strength of carbon fiber composites increased first and then decreased，and the friction coefficient decreased first and then increased. When the pressure temperature risedfrom 100℃ to 130℃ ， the tensile strength and standardized tensile strength of carbon fiber composites first increasedand then gradually decreased，and the friction coefficient first decreased and then increased. When the curing temperature rised from 130℃ to 160℃ ， the tensile strength and standardized tensile strength of carbon fiber composites first in- creased and then gradually decreased，and the friction coefficient first decreased and then increased. The suitable preparation process of building seismic isolation carbon fiber composites is： molding pressure 10 MPa，pressuriza- tion temperature 110℃ ， curing temperature 140℃.

Keywords： seismic isolation carbon fiber composite；molding pressure；pressurization temperature；curing tempera- ture；mechanical property

碳纖維及其復(fù)合材料由于具有密度輕、比強度高、耐高溫、耐腐蝕和隔熱抗震等特性而被廣泛應(yīng)用于建筑、體育器械、航空航天等領(lǐng)域。除了具有良好的使用性能外，碳纖維復(fù)合材料還具有良好的可加工性，可以加工成建筑隔震材料而在具有抗震設(shè)防要求的建筑中使用[1]。傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料主要分為連續(xù)碳纖維和短切碳纖維復(fù)合材料，前者力學(xué)性能優(yōu)異但工藝兼容性差、成本高，后者工藝兼容性好而力學(xué)性能較差，碳纖維鍛造復(fù)合材料可以結(jié)合連續(xù)碳纖維和短切碳纖維的優(yōu)勢，有望在建筑隔震等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。然而，目前關(guān)于碳纖維鍛造復(fù)合材料的制備工藝方面的報道較少，各項工藝參數(shù)對隔震碳纖維材料拉伸性能和摩擦性能的影響規(guī)律并不清楚[3-4]。從模壓成型工藝參數(shù)優(yōu)化角度出發(fā)，探討了模壓壓力、加壓溫度和固化溫度對碳纖維復(fù)合材料拉伸性能和摩擦性能的影響，結(jié)果有助于既有建筑隔震碳纖維材料的制備及性能升級。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括上海石化集團提供的SCF-12K碳纖維（CF-1，單絲直徑7μm、根數(shù)12、線密度0.79 g/m、拉伸強度3540 MPa、拉伸模量235 GPa）、南亞塑膠工業(yè)公司提供的液態(tài)雙酚A型環(huán)氧樹脂（環(huán)氧當(dāng)量188 g/eq、黏度13500 cP·s/（25℃）、工業(yè)用雙酚胺和聚醚氨。

1.2 制備方法

采用模壓成型的方法制備隔震用碳纖維復(fù)合材料，模壓成型工藝示意圖如圖1所示，主要包括預(yù)熱過程、輔料過程、凝膠過程、固化過程和脫模過程[5-8]。預(yù)先清理模具（模腔為140 mm×140 mm×2 mm），預(yù)熱溫度為78℃ ，然后在模具表面涂抹脫模劑；將碳纖維制備成短切預(yù)浸料，并稱取88 g鋪放在模具型腔中，控制模壓壓力、加壓溫度和固化溫度等成型參數(shù)進行固化，固化完成后待模具冷卻至常溫時進行脫模處理，取出碳纖維復(fù)合材料。

1.3 測試與表征

根據(jù)ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)制備碳纖維復(fù)合材料的拉伸試樣（樣條尺寸為10 mm×10 mm×2 mm），用膠水粘上環(huán)氧樹脂加強片，在MTS-810型拉伸試驗機上進行拉伸性能測試，取6組試樣平均值作為拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度測試結(jié)果[9-10]，拉伸速率為1 mm/min；拉伸斷口形貌采用 DSX1000超景深顯微鏡進行觀察；摩擦性能測試在MPX-1G型銷盤式摩擦試驗機上進行，轉(zhuǎn)動速度為0.3 m/s、摩擦球為φ8 mm，復(fù)合材料干摩擦試驗裝置和示意圖如圖2所示；摩擦半徑和時間分別為5 mm和1 h。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 模壓壓力

圖3為模壓壓力對碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，分別列出了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸強度-模壓壓力直方圖。

從圖3可以看出，不同模壓壓力下復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢基本相同，都表現(xiàn)為應(yīng)力隨著應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達到復(fù)合材料極限應(yīng)力時迅速降低；當(dāng)模壓壓力從6 MPa 上升至14 MPa 時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都呈現(xiàn)先增加后減小；在模壓壓力為10 MPa 時取得復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度最大值，分別為262 MPa和332 MPa。由此可見，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度會隨著模壓壓力先增加后減小，模壓壓力并不是越大越好，而是在模壓壓力為10 MPa時取得較好的拉伸性能，這主要是因為當(dāng)模壓壓力較小時，碳纖維復(fù)合材料無法完全浸潤和填充會造成致密度不足；而如果模壓壓力過大，環(huán)氧樹脂與碳纖維之間不利于結(jié)合，局部還會產(chǎn)生樹脂外溢[11]。整體而言，適宜的模壓壓力為10 MPa。

碳纖維復(fù)合材料在拉伸過程中會出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象如圖4（a）、（b），且斷口處纖維參差不齊，這主要是因為碳纖維復(fù)合材料在制備過程中存在樹脂貧乏區(qū)等缺陷造成局部力的傳遞不均勻所致[12]；圖4（c）、（d）中可見碳纖維復(fù)合材料斷口中的樹脂斷裂，未見明顯碳纖維拔出或者斷裂特征，這主要是因為樹脂富集區(qū)會由于碳纖維不能共同傳遞應(yīng)力而斷裂；圖4（e）、（f）中可見碳纖維復(fù)合材料發(fā)生內(nèi)聚失效破壞，這主要是因為樹脂與碳纖維之間可以有效傳導(dǎo)外加應(yīng)力，共同承擔(dān)載荷，二者之間可以起到良好的結(jié)合效果所致。

圖5為模壓壓力對復(fù)合材料摩擦性能的影響，分別列出了摩擦系數(shù)-時間和摩擦系數(shù)-模壓壓力直方圖，轉(zhuǎn)速為0.3 m/s、載荷6 N。

從圖5對比分析可知，不同模壓壓力下碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著時間的變化可以分為摩擦磨合期和穩(wěn)定期，前者的摩擦系數(shù)會隨著時間迅速長大，而后階段的摩擦系數(shù)會逐漸趨于穩(wěn)定。從圖5（b）摩擦系數(shù)-模壓壓力圖可見，隨著模壓壓力增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在模壓壓力為10 MPa 時取得最小值。這主要是因為模壓壓力過小不利于樹脂浸潤而降低了復(fù)合材料的層間結(jié)合力，剪切應(yīng)力傳導(dǎo)能力較弱而使得摩擦系數(shù)增大，而過大的模壓壓力會造成內(nèi)部存在局部殘余應(yīng)力和缺陷，摩擦系數(shù)反而會增大[13]。

2.2 加壓溫度

圖6為加壓溫度對碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，分別列出了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸強度-模壓壓力直方圖。

從圖6可以看出，不同加壓溫度下復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢也表現(xiàn)為應(yīng)力隨著應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達到復(fù)合材料極限應(yīng)力時迅速降低；當(dāng)加壓溫度從100℃上升至130℃時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都先增大后逐漸減小，在加壓溫度為110℃時取得復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度最大值。由此可見，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度會隨著加壓溫度先增加后減小，加壓溫度并不是越大越好，而是在加壓溫度為110℃時取得較好的拉伸性能，這主要是因為較高的加壓溫度會使得樹脂產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)而影響樹脂的浸潤和流動，局部產(chǎn)生樹脂聚集而影響應(yīng)力傳導(dǎo)[14]，拉伸性能會減??；但是較小的加壓溫度會使得復(fù)合材料中產(chǎn)生孔洞等缺陷，拉伸性能降低。整體而言，適宜的加壓溫度為110℃。

圖7為加壓溫度對復(fù)合材料摩擦性能的影響，分別列出了摩擦系數(shù)-時間和摩擦系數(shù)-模壓壓力直方圖，轉(zhuǎn)速為0.3 m/s、載荷6 N 。

從圖7對比分析可知，不同加壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著時間的變化也分為摩擦磨合期和穩(wěn)定期，前者的摩擦系數(shù)會隨著時間迅速長大，而后階段的摩擦系數(shù)會逐漸趨于穩(wěn)定。從圖7（b）摩擦系數(shù)-加壓溫度圖中可見，隨著加壓溫度增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在加壓溫度為110℃時取得最小值。

2.3? 固化溫度

圖8為固化溫度對碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，分別列出了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸強度-模壓壓力直方圖。

從圖8可以看出，不同固化溫度下復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢也表現(xiàn)為應(yīng)力隨著應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達到復(fù)合材料極限應(yīng)力時迅速降低；當(dāng)固化溫度從130℃上升至160℃時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都先增大后逐漸減小，在固化溫度為140℃時取得復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度最大值。由此可見，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度會隨著固化溫度先增加后減小，固化溫度并不是越大越好，而是在固化溫度為140℃時取得較好的拉伸性能，這主要是因為較高的固化溫度會使得樹脂產(chǎn)生固化效應(yīng)，纖維層間結(jié)合力下降而降低拉伸強度[15]；但是較小的固化溫度會使得復(fù)合材料中的固化反應(yīng)不充分，復(fù)合材料制備過程中由于交聯(lián)度不足而使得拉伸性能降低。整體而言，適宜的固化溫度為140℃。

圖9為固化溫度對復(fù)合材料摩擦性能的影響，分別列出了摩擦系數(shù)-時間和摩擦系數(shù)-模壓壓力直方圖，轉(zhuǎn)速為0.3 m/s、載荷6 N。

從圖9對比分析可知，不同固化溫度下碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著時間的變化也分為摩擦磨合期和穩(wěn)定期，前者的摩擦系數(shù)會隨著時間迅速長大，而后階段的摩擦系數(shù)會逐漸趨于穩(wěn)定。從圖9（b）摩擦系數(shù)-固化溫度圖可見，隨著固化溫度增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在固化溫度為140℃時取得最小值，這主要是因為此時碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷較少，結(jié)合較好[16]。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)模壓壓力從6 MPa上升至14 MPa時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都呈現(xiàn)先增加后減??；在模壓壓力為10 MPa時取得復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度最大值，分別為262、332 MPa。隨著模壓壓力增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在模壓壓力為10 MPa時取得最小值；

（2）當(dāng)加壓溫度從100℃上升至130℃時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都先增大后逐漸減小，在加壓溫度為110℃時取得復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度最大值。隨著加壓溫度增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在加壓溫度為110℃時取得最小值；

（3）當(dāng)固化溫度從130℃上升至160℃時，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度都先增大后逐漸減小，在固化溫度為140℃時取得復(fù)合材料的

拉伸強度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強度最大值。隨著固化溫度增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在固化溫度為140℃時取得最小值。

【參考文獻】

[1] 石巖，張智超，鐘正午，等.預(yù)制裝配式橋墩連接類型及抗震性能研究綜述[J].世界地震工程，2022，38（2）：205-219.

[2] 李利平，張亞飛，季光耀.木拱廊橋的抗震、減震及隔震加固探究[J].麗水學(xué)院學(xué)報，2021，43（2）：6-12.

[3]? LU L，SUN J，LIU Q，et al. Influence of electrochemical de- position parameters on capillary performance of a rectangu- lar grooved wick with a porous layer[J]. International Jour- nal of Heat & Mass Transfer，2017，109：737-745.

[4] 高淑君，李國輝.工程量清單計價模式下建筑碳纖維的優(yōu)化與性能研究[J].粘接，2022，49（3）：105-108.

[5] 晏劍明.電力工程中的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（3）：158-160.

[6]? AL-ANANY Y M，MOUSTAFA M A，TAIT M J . Modeling and Evaluation of a Seismically Isolated Bridge Using Un- bonded Fiber-Reinforced Elastomeric Isolators：[J]. Earth- quake Spectra，2018，34（1）：145-168.

[7] 謝建武.應(yīng)用在橋梁施工中碳纖維復(fù)合材料的制備工藝研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（3）：103-105.

[8] 崔晨華.基于建筑施工造價管理的碳纖維復(fù)合材料開發(fā)與應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（3）：110-112.

[9] 黃彩飛，陳國平，茍曉梅.粘貼工藝對碳纖維布增強聚丙烯板材抗沖擊性能的影響[J].粘接，2022，49（3）：55-61.

[10] 楊曉敏，賈兵，臧棟，等.基于施工管理便捷性的建筑碳纖維布制備與應(yīng)用[J].粘接，2021，48（11）：117-119.

[11] 王璐，菅鳳俠.碳纖維增強復(fù)合材料增強鋼框架肋板的節(jié)點滯回性能分析[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（2）：76-78.

[12]? JANG? S? M，BAEK? S? Y . A? Study? on? the? Analysis ofTool-wear Patterns and Mechanisms in Face Milling[J]. Journal of，the Korean Society of Manufacturing Process Engineers，2017，16（4）：24-29.

[13] 梁龐.纖維增強復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（1）：117-119.

[14]? SHEN ZF，LU LS，SUN JW，et al. Wear patterns and wearmechanisms of cutting tools used during the manufactur- ing of chopped carbon fiber[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2015，97：1-10.

[15]? WAN Y，STRAUMIT I，TAKAHASHI J，et al. Micro-CTanalysis? of? internal? geometry? of? chopped? carbon fiber tapes reinforced thermoplastics[J]. Composites Part A-Ap- plied Science & Manufacturing，2016，91：211-221.

[16]? YAMASHITA S，HASHIMOTO K，SUGANUMA H，et al.Experimental characterization of the tensile failure mode? of ultra-thin chopped carbon fiber tape-reinforced thermo- plastics[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites，2016，35（18）：1342-1352.