圖書館碳纖維書架用復(fù)合材料設(shè)計及性能測試分析

劉云

摘 要：為了提升圖書館碳纖維書架的綜合力學(xué)性能，設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的碳纖維增強金屬層壓板，對比分析了單一添加玻璃微珠（GB）、納米碳酸鈣對Al/CF/PA6復(fù)合材料彎曲強度、剪切強度和沖擊強度的影響，并對斷口形貌和復(fù)合添加玻璃微珠進行了觀察。結(jié)果表明：在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的彎曲強度、剪切強度和沖擊強度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料彎曲強度、剪切強度和沖擊強度的提升效果優(yōu)于GB。對比分析還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的彎曲強度、剪切強度和沖擊強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣。

關(guān)鍵詞：圖書館書架；碳纖維；金屬層板復(fù)合材料；力學(xué)性能；斷口形貌

中圖分類號：TQ342+.742;TB33

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0097-04

Design and performance testing analysis of carbon fiber composite material for library bookshelves

LIU Yun

（Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China

）

Abstract：In order to improve the comprehensive mechanical properties of library carbon fiber bookshelves，carbon fiber reinforced metal laminates with different structures were designed.A comparative analysis was conducted to assess the impact of adding glass beads （GB） and nano calcium carbonate on the bending strength， shear strength， and impact strength of the composite material of Al/CF/PA6. In addition， the fracture morphology and the effects of adding GB to the composite material were also observed.The results showed that the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite were improved by adding GB or nano calcium carbonate to Al/CF/PA6，and the effect of nano calcium carbonate on the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite was better than GB.In addition，the comparative analysis also showed that the bending strength，shear strength and impact strength of the composite after adding GB and nano calcium carbonate were higher than those of the single addition of GB or nano calcium carbonate.

Key words：library bookshelves;carbon fiber;metal laminated composite materials;mechanical properties;fracture morphology

碳纖維增強金屬層壓板作為一種利用膠粘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］，由于兼具層壓板中不同種類材料的各自特性［2］，因此，綜合性能較為優(yōu)越，如質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞抗損傷性能好等［3］。因此，在現(xiàn)代化圖書館書架等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代圖書館對碳纖維增強金屬層壓板書架要求的提高，用于書架的碳纖維增強金屬層壓板不僅需要足夠的強度，還需要具有良好的剪切性能、沖擊性能等［4-7］，以滿足書架承重及可能發(fā)生的沖擊斷裂等問題。傳統(tǒng)的碳纖維增強金屬層壓板多采用鋁合金/碳纖維/尼龍6復(fù)合材料制備，而目前研究多采用提高鋁合金性能、碳纖維性能等方面［8-10］，一定程度上提高了生產(chǎn)成本且對碳纖維增強金屬層壓板綜合性能的提升幅度有限［11］。本文擬通過在鋁合金/碳纖維/尼龍6復(fù)合材料中單一添加玻璃微珠（GB）、納米碳酸鈣（CaCO3）和復(fù)合添加玻璃微珠+納米碳酸鈣的方法，設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的碳纖維增強金屬層壓板，考察了其對應(yīng)于性能如彎曲強度、剪切強度和沖擊強度的影響，以期為高綜合性能圖書館書架用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

實驗材料包括尼龍6（PA6，密度1.12 g/cm3）、YT-3K-P300型碳纖維（CF，直徑7 μm、密度1.77 g/cm3、拉伸強度3 540 MPa、斷后伸長率1.76%）、2024 T3鋁合金板（Al，厚0.5 mm）、納米碳酸鈣（CaCO3，粒徑80 nm，表面積1.75 m2/g）、CX-1000型玻璃微珠（GB）。

1.2 圖書館書架用復(fù)合材料的設(shè)計

共制備了4種不同類型的PA6基碳纖維復(fù)合材料，分別為Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6。其中，碳纖維材料裁剪成100 mm×100 mm，在甲醇溶液中靜置1 d，然后在烘箱中進行58? ℃/2 h的干燥處理，空冷至室溫；鋁合金試樣同樣加工成100 mm×100 mm，經(jīng)過丙酮除油、堿洗、酸洗和陽極處理［12-13］。采用雙螺桿擠壓機制備PA6基碳纖維復(fù)合材料，上模225? ℃、下模235? ℃，擠壓壓力6 MPa、持續(xù)時間15 min。

1.3 測試與表征

彎曲、剪切和沖擊性能測試試樣的尺寸示意圖如圖1所示。室溫彎曲性能測試根據(jù)ASTM D 7264—07標(biāo)準(zhǔn)進行，跨距60 mm、加載速度1.5 mm/min；室溫層間剪切性能測試根據(jù)ASTM D2344—16標(biāo)準(zhǔn)進行，跨距16 mm、加載速度3 mm/min；室溫沖擊性能測試根據(jù)ASTM D256—10標(biāo)準(zhǔn)進行；彎曲、剪切和沖擊性能測試結(jié)果都取5根試樣的平均值［14］。采用IT-300型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 圖書館書架用復(fù)合材料的特性

表1為 PA6基碳纖維復(fù)合材料的彎曲強度測試結(jié)果。

由表1可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫彎曲強度分別為303.69、323.26、339.17和353.54 MPa?？梢?，在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的彎曲強度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料彎曲強度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的彎曲強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6提升16.41%。

表2為 PA6基碳纖維復(fù)合材料的剪切強度測試結(jié)果。

由表2可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫剪切強度分別為41.95、42.75、46.99和49.08 MPa?？梢姡贏l/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的剪切強度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料剪切強度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的剪切強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6提升17.00%。

表3為 PA6基碳纖維復(fù)合材料的沖擊強度測試結(jié)果。

由表3可見，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫沖擊強度分別為90.77 kJ·m-2、90.98 kJ·m-2、94.53 kJ·m-2和89.49 kJ·m-2。可見，在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的沖擊強度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料沖擊強度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的沖擊強度會低于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6降低了1.41%。

2.2 圖書館書架用復(fù)合材料的斷口形貌

圖2為Al/GB/CF/PA6復(fù)合材料的斷口形貌。

從圖2（a）可見，鋁合金基體與PA6結(jié)合良好，且可以發(fā)現(xiàn)玻璃微球均勻分散在基體中；從圖2（b）可見，碳纖維與PA6的界面呈現(xiàn)脆性斷裂的特征，可以看見碳纖維斷裂，斷口起伏較大；從圖2（c）和圖2（d）可見，在斷口中可見玻璃微球在鋁合金和碳纖維中都有分布；圖2（e）可見拔出的碳纖維束上有少量變形，局部可見微裂紋的存在；從圖2（f）可見，在復(fù)合材料的斷口中，鋁合金斷口中有較多的韌窩，呈韌性斷裂特征，有助于提高復(fù)合材料的塑性和沖擊性能［15］。

進一步對玻璃微珠在Al/GB/CF/PA6復(fù)合材料斷口中的分布進行觀察，結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）和圖3（b）可見，在復(fù)合材料斷裂過程中，裂紋會沿著玻璃微珠界面處擴展，且玻璃微珠可以起到釘扎作用，一定程度抑制了裂紋擴展［16］，有助于提升復(fù)合材料的強度。從圖3（c）和圖3（d）可見，部分裂紋擴展過程中沿著玻璃微珠擴展，部分玻璃微珠處于半剝離狀態(tài)，體現(xiàn)出二者較好的界面結(jié)合能力［17］，如果要使得玻璃微珠發(fā)生剝離需要更大的能量。

圖4為Al/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口形貌。

從圖4可看出，整體而言，Al/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷口中碳纖維被拔出，不同性質(zhì)的材料之間的界面基本剝離，在鋁合金基體中還可見微裂紋的存在；此外，鋁合金板與纖維之間已經(jīng)發(fā)生脫粘，鋁合金斷口較為平整，未見明顯韌窩等，表明塑性不高［18］。

圖5為Al/GB/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口形貌。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在Al/GB/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口中存在明顯玻璃微珠和碳酸鈣，且碳纖維有被拔出的線性，這些增強體都可以起到增強復(fù)合材料強度的作用；此外，從圖5（b）～（d）可見，鋁合金發(fā)生了明顯塑性變形，斷口中出現(xiàn)了拔絲線性，表明斷裂過程中鋁合金吸收了較多的能量［19］；從圖5（e）的玻璃微珠的存在狀態(tài)可見，玻璃微珠均勻分散在基體組織中，尺寸約為98 nm，可以起到釘扎和抑制裂紋擴展的作用［20］；由圖5（f）可見，玻璃微珠與基體界面結(jié)合良好。整體而言，玻璃微珠、碳酸鈣粒子和碳纖維等都可以起到增強復(fù)合材料強度的作用，因此，Al/GB/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的剪切強度、彎曲強度和沖擊強度都優(yōu)于單位添加玻璃微珠或者碳酸鈣的Al/GB/CF/PA6復(fù)合材料和Al/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料，斷口形貌的觀察結(jié)果與表1～表3的測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語

（1）在圖書館書架用Al/CF/PA6復(fù)合材料中加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的彎曲強度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料彎曲強度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的彎曲強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣；

（2）為了提升圖書館設(shè)計用復(fù)合材料的剪切強度，設(shè)計了4種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫剪切強度分別為41.95、42.75、46.99和49.08 MPa。在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的剪切強度，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的剪切強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣；

（3）為了提升圖書館設(shè)計用復(fù)合材料的沖擊強度，設(shè)計了4種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫沖擊強度分別為90.77、90.98、94.53和89.49 kJ/m2。在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復(fù)合材料的沖擊強度，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的沖擊強度會低于單一添加GB或者納米碳酸鈣。

【參考文獻】

［1］ 王耀，曹佳華，楊超，等.超混雜纖維金屬層板成形方法研究進展［J］.精密成形工程，2023，15（3）：19-35.

［2］ 司誠，張亮，余晶晶，等.碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合預(yù)浸料層合板的應(yīng)用研究［J］.粘接，2023，50（3）：86-89.

［3］ 謝丁弈辰.體能訓(xùn)練器械引入改性碳纖維復(fù)合材料的性能測試研究［J］.粘接，2023，50（3）：73-77.

［4］ 蔡紹榮，何志強，江栗，等.基于電氣控制的碳纖維金屬層板的制備與性能研究［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（2）：63-65.

［5］ 關(guān)明杰，朱殿宇，翟通軍，等.方艙側(cè)板用碳纖維增強楊桉復(fù)合板的研制［J］.林業(yè)工程學(xué)報，2023，8（1）：66-72.

［6］ 王耀，宋國鵬，楊超，等.微尺度纖維/金屬混雜層板的低約束拉伸變形性能［J］.鍛壓技術(shù)，2022，47（10）：63-71.

［7］ 陳一哲，范宏德，王祎純，等.車用纖維金屬層板構(gòu)件沖壓變形行為研究［J］.汽車工程，2023，45（3）：517-525.

［8］ 張鑫，扈長智，劉皓林，等.纖維金屬帽形結(jié)構(gòu)低速沖擊力學(xué)性能研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2022，36（7）：132-141.

［9］ SRIDHAR A K，BOLAR G，PADMARAJ N H.Comprehensive experimental investigation on drilling multi-material carbon fiber reinforced aluminum laminates［J］.Journal of King Saud University - Engineering Sciences，2022，34（7）：391-401.

［10］ 季春明，王兵，郭家寶，等.Ti/CFRP超混雜層板的研究與應(yīng)用展望［J］.宇航總體技術(shù)，2021，5（6）：62-72.

［11］ 趙昌葆，曹猛，薛紅前，等.石墨烯納米片對碳纖維增強金屬層板層間力學(xué)性能的影響［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2022，40（1）：141-147.

［12］ 郭照宇.碳纖維織物引入體育器材成型技術(shù)及力學(xué)性能研究［J］.粘接，2023，50（4）：79-82.

［13］ DADEJ K，BIENIAS J，SUROWSKAB.On the effect of glass and carbon fiber hybridization in fiber metal laminates：Analytical，numerical and experimental investigation［J］.Composite Structures，2019，220：250-260.

［14］ 何文慧，林金保.涂覆ZrO2涂層Cf/Al復(fù)合板的制備及其力學(xué)性能研究［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報，2022，40（6）：122-126.

［15］ 何文慧，林金保.涂覆ZrO2涂層Cf/Al復(fù)合板的制備及其力學(xué)性能研究［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報，2022，40（6）：122-126.

［16］ 楊帥，張加俏，李連基，等.短纖維層間增強樹脂基單向碳纖維復(fù)合材料拉伸性能研究［J］.機械設(shè)計與制造工程，2022，51（7）：53-57.

［17］ LI B，LIU S，F(xiàn)AN M，et al.The effect of ethylene oxide groups in dodecyl ethoxyl ethers on low rank coal flotation：An experimental study and simulation［J］.Powder Technology，2018，344：684-692.

［18］ 王永強，劉宏宇，鄭向剛，等.基于生態(tài)修復(fù)的碳纖維復(fù)合材料制備與性能研究［J］.粘接，2022，49（12）：63-66.

［19］ 林梅，張鐵軍，馮宇，等.濕熱/干燥環(huán)境交替作用下碳纖維復(fù)合材料的吸濕/脫濕特性［J］.復(fù)合材料科學(xué)與工程，2022，342（7）：52-59.

［20］ 田雨華，王象東，王輝，等.中間相瀝青基碳纖維與T800H碳纖維復(fù)合材料性能對比［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2022，47（3）：30-34.