小型履帶變軌吊裝車用碳纖維復材制備工藝優(yōu)化

摘 要：為了提升小型履帶變軌吊裝搬運車用碳纖維復合材料的力學性能，采用不同的陽極氧化工藝對2024鋁合金進行了預處理，對比分析了不同陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的力學性能。結(jié)果表明，彎曲強度從高至低順序為陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝A；剪切強度從高至低順序為陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝A；沖擊強度從高至低順序為陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝A。適宜的工藝為陽極氧化工藝C，此時鋁合金表面氧化孔均勻、孔徑適宜。

關(guān)鍵詞：碳纖維復合材料；2024鋁合金；陽極氧化工藝；力學性能；表面形貌

中圖分類號：TQ342 + .742 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0085-03

Optimization of the preparation process of carbon fibercomposite materials for small crawler rail

change hoisting vehicles

LU Zheng，WANG Li，DENG Wenjun，LU Wenqin，CHAO Jiajun，LU Rui

（State Grid Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Changzhou Power Supply Branch，Changzhou 213000，Jiangsu China）

Abstract：In order to improve the mechanical properties of carbon fiber composites used in small crawler trackchange lifting truck，2024 aluminum alloy was pretreated by different anodic oxidation processes，and the mechani?cal properties of carbon fiber composites under different anodizing processes were compared and analyzed. The re?sults showed that the order of bending strength from high to low was：anodic oxidation process Dgt;anodic oxidationprocess Cgt;anodic oxidation process Bgt;anodic oxidation process A，the order of shear strength from high to low was：anodic oxidation process Cgt;anodic oxidation process Bgt;anodic oxidation process Dgt;anodic oxidation process A，and the order of impact strength from high to low was：anodic oxidation process Cgt;anodic oxidation process Dgt;anod?ic oxidation process Bgt;anodic oxidation process A. The appropriate process was anodic oxidation process C，at thistime the oxide pores on the surface of the aluminum alloy were uniform and the pore size was suitable.

Key words：carbon fiber composite materials；2024 aluminum alloy；anodizing process；mechanical properties；sur?face topography

由于便捷式發(fā)展需求，目前的小型履帶變軌吊裝搬運車用材除了需要輕質(zhì)外，還需要具有較高的力學性能，如剪切強度、彎曲強度和沖擊強度等 [1] ，以便于不同的應力場合使用。目前的小型履帶變軌吊裝搬運車主要采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，而新一代小型履帶變軌吊裝搬運車則主要朝著高強輕質(zhì)方向發(fā)展，潛在的應用材料為碳纖維金屬層板，這方面的研究報道較少 [2] 。本文擬以碳纖維、2024鋁合金和PA6尼龍為原料，采用不同陽極氧化工藝對鋁合金進行表面處理并制備了復合材料，考察了不同陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的力學性能和斷口形貌，結(jié)果有助于高綜合性能的小型履帶變軌吊裝搬運車用材的開發(fā)與推廣應用。

1 試驗材料與方法

1. 1 試樣材料

試驗材料包括B500F型尼龍6復合材料（PA6，密度1.13 g/cm 3 、線膨脹系數(shù)7.9×10 -5 /℃）、YT-4K型碳纖維（CF，直徑6μm、密度1.75g/cm 3 、伸長率1.73%）、2024T3鋁合金板（厚0.6mm）。

1. 2 試樣制備

將碳纖維加工成邊長100 mm的正方形試塊，置于甲醛溶液中浸泡24 h后烘干，然后浸漬到質(zhì)量分數(shù)4%的PA6/酒精混合溶液中，靜置24 h后去離子水清洗并吹干，置于 58 ℃烘箱中進行烘干備用。

采用線切割方法將 2024T3 鋁合金板加工成邊長100 mm 的正方形試塊，丙酮除油后酒精超聲清洗，轉(zhuǎn)入 380 g/L硝酸溶液中浸泡3 min進行堿洗，然后進行陽極氧化處理，采用雙螺桿擠出機進行碳纖維復合材料的制備 [3] ，溫度為225 ℃、壓力6 MPa、保壓時間為12 min，制備出Al/CF/PA6碳纖維金屬層板。具體工藝參數(shù)如表1。

1. 3 測試方法

采用JSM6800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行表面形貌觀察和斷口形貌觀察；根據(jù)ASTMD7264標準進行室溫彎曲性能測試，加載速率為1 mm/min，結(jié)果取6組試樣平均值；根據(jù)ASTMD2344—16標準進行室溫剪切性能測試，加載速率為2 mm/min，結(jié)果取6組試樣平均值；根據(jù)ASTM D256—10標準進行室溫彎曲性能測試，結(jié)果取6組試樣平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2. 1 表面形貌

圖1為2024鋁合金陽極氧化后的表面形貌。

由圖1可見，經(jīng)過不同陽極氧化工藝處理后，2024鋁合金表面都可見不同尺寸的氧化孔覆蓋，且不同陽極氧化工藝下2024鋁合金表面氧化孔形狀和尺寸有所不同。有的孔洞呈圓形，有的孔洞呈橢圓形，平均孔洞尺寸介于68～168 nm。

2. 2 力學性能

圖2為不同陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的彎曲強度。

由圖2可知，陽極氧化工藝A下碳纖維復合材料的彎曲強度為260.27 MPa、陽極氧化工藝B下碳纖維復合材料的彎曲強度為268.73 MPa、陽極氧化工藝C下碳纖維復合材料的彎曲強度為304.69 MPa、陽極氧化工藝D下碳纖維復合材料的彎曲強度為314.86MPa。

從彎曲強度角度來看，陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的彎曲強度從高至低順序為陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝A，這主要與陽極氧化工藝D處理后鋁合金表面孔更加均勻、以及孔直徑有助于提高事宜有關(guān) [4] 。

圖3為不同陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的剪切強度。

由圖3可知，陽極氧化工藝A下碳纖維復合材料的剪切強度為35.46 MPa、陽極氧化工藝B下碳纖維復合材料的剪切強度為40.58 MPa、陽極氧化工藝C下碳纖維復合材料的剪切強度為41.95 MPa、陽極氧化工藝 D 下碳纖維復合材料的剪切強度為39.07 MPa。從剪切強度角度來看，陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的剪切強度從高至低順序為陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝A，這主要與陽極氧化工藝C處理后鋁合金表面孔較為均勻、以及孔直徑有助于提高事宜有關(guān) [5] 。

圖4為不同陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的沖擊強度。

由圖4可知，陽極氧化工藝A下碳纖維復合材料的沖擊強度為53.76 MPa、陽極氧化工藝B下碳纖維復合材料的沖擊強度為64.89 MPa、陽極氧化工藝C下碳纖維復合材料的沖擊強度為90.77 MPa、陽極氧化工藝D下碳纖維復合材料的沖擊強度為66.92 MPa。

從沖擊強度角度來看，陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的沖擊強度從高至低順序為陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝A，這主要與陽極氧化工藝C處理后鋁合金表面孔較為均勻、以及孔直徑有助于提高事宜有關(guān) [6] 。

2. 3 彎曲斷口形貌

圖5為不同陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的彎曲表面形貌。

由圖5可知，脫粘后試樣表面都存在顆粒狀的突出形態(tài)，這主要是因為在制備復合材料時尼龍基體中壓入了納米孔所致，在彎曲應力作用下，PA6與鋁合金基體之間發(fā)生脫粘，并從顆粒狀形態(tài)處拔出 [7-8] ，且由于這些納米孔的存在，一定程度上提升了碳纖維復合材料抵抗彎曲變形的能力，因此，經(jīng)過陽極氧化處理后的碳纖維復合材料的抗彎強度會有所提高，這也與氧化陽極提升了樣品的表面積和粘接強度有關(guān) [9-11] 。此外，對比分析可知，由于陽極氧化工藝B的溫度更高，因此，納米孔相對更加密集，抵抗彎曲變形的能力更強。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)過不同陽極氧化工藝處理后，2024鋁合金表面都可見不同尺寸的氧化孔覆蓋，且不同陽極氧化工藝下2024鋁合金表面氧化孔形狀和尺寸有所不同；

（2）從彎曲強度角度來看，陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的彎曲強度從高至低順序為陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝A；從剪切強度角度來看，陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的剪切強度從高至低順序為陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝A；從沖擊強度角度來看，陽極氧化工藝下碳纖維復合材料的沖擊強度從高至低順序為陽極氧化工藝C、陽極氧化工藝D、陽極氧化工藝B、陽極氧化工藝A；

（3）脫粘后試樣表面都存在顆粒狀的突出形態(tài)，這主要是因為氧化陽極提升了樣品的表面積和粘接強度，在彎曲應力作用下，PA6與鋁合金基體之間發(fā)生脫粘，一定程度上提升了碳纖維復合材料抵抗彎曲變形的能力，因此，經(jīng)過陽極氧化處理后的碳纖維復合材料的抗彎強度會有所提高。

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