碳纖維粉改性環(huán)氧樹脂基體的性能研究

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摘""""" 要：研究了向 692-2k 環(huán)氧樹脂中添加碳纖維粉的方法，以制備碳纖維粉改性的環(huán)氧樹脂基體，并考察了不同摻量（質量分數(shù)0、15％、20％、2％）和尺寸（500目和1 000目，即25 μm和13 μm）的碳纖維粉對基體力學性能和耐熱性能的影響。結果表明：不同尺寸和摻量的碳纖維粉可以顯著改善環(huán)氧樹脂基體的力學性能和耐熱性能。未摻碳纖維粉的環(huán)氧樹脂基體最大抗拉強度和最大彎曲強度分別為8、10 MPa，當加入500目（25 μm）且摻量為20%的碳纖維粉時，其改性的環(huán)氧樹脂具有最大抗拉強度為11 MPa，摻量為15%時具有最大彎曲強度（18 MPa），而當加入1 000目（13 μm）且摻量為25%時，具有最大抗拉強度為14 MPa，摻量為20%時具有最大彎曲強度（25 MPa）。同時，在干燥烘箱120 ℃連續(xù)5天的加熱下，500目（25 μm）25%摻量的碳纖維粉改性692-2k環(huán)氧樹脂有效提高了材料耐熱性能，其失重率最小。

關" 鍵" 詞：環(huán)氧樹脂基體；碳纖維粉；力學性能；耐熱性能

中圖分類號：TB332"""" 文獻標志碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（2024）11-1662-05

樹脂基體具有多種類型，包括環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、雙馬來酰胺樹脂等。其中環(huán)氧樹脂是最為常用的，其具有非常強的黏聚力，分子之間緊密排列，具有很好的力學性能，耐腐蝕性也十分優(yōu)異，但環(huán)氧樹脂也存在著一定的缺陷，例如脆性大、彎曲性能差和熱穩(wěn)定性差等，這些問題也限制了環(huán)氧樹脂的進一步應用^[1]。為了增強環(huán)氧樹脂的性能，拓展其領域，人們對其進行了改性。環(huán)氧樹脂是一種含有環(huán)氧基團的高分子聚合物。其可以通過添加反應性稀釋劑、選擇固化劑、添加填充劑等方法進行改性處理，改性后的環(huán)氧樹脂能夠展現(xiàn)更加優(yōu)異的性能，從而充分滿足使用性能^[2]。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維添加到環(huán)氧樹脂中后能夠改善樹脂材料的力學性能和熱穩(wěn)定性，使其成為一種樹脂增強劑，但在成本方面存在問題。最近的研究結果表明，將顆粒狀材料添加到環(huán)氧樹脂中可以有效提升其強度和彈性模量，同時制備的復合材料具有更好的耐熱性能和強韌性^[3]。

使用碳纖維粉作為添加劑的成本比采用連續(xù)碳纖維更低。碳纖維粉是一種等長圓柱形微粒，這些微粒是通過對高強度、高彈性模量的長絲碳纖維進行特殊表面和工藝研磨加工得到的。這個加工過程既保留了碳纖維的高強度和耐熱性等優(yōu)異性能，又使這些顆粒具有形狀精細、表面潔凈等特點。由于有較大的表面積和其他優(yōu)點，碳纖維粉易于被樹脂潤濕并均勻分散。研究結果表明，在環(huán)氧樹脂中添加適量的碳纖維粉可以顯著提高改性環(huán)氧樹脂的強度和耐熱性能^[4]。根據相關研究，將適量的碳纖維粉添加到環(huán)氧樹脂中，可以顯著提高改性環(huán)氧樹脂的強度和耐熱性能^[5]。此外，使用添加了碳纖維粉的改性環(huán)氧樹脂作為基質，制備復合材料，就可以獲得強度高、耐熱性強且成本低的復合材料。介紹了一種改善環(huán)氧樹脂力學性能和耐熱性的方法，即向樹脂中加入碳纖維粉來制備改性環(huán)氧樹脂。通過研究不同摻量和尺寸的碳纖維粉對基體性能和耐熱性的影響，探討了最佳摻量等相關問題。

1" 實驗部分

1.1" 實驗材料與設備

實驗使用的碳纖維粉直徑為7 μm，是由日本東麗公司生產并加工而成的碳纖維，長度為300 μm（500目）和長度為75 μm（1 000目）的黑色細末狀物料，抗拉強度高達3 500 MPa。研究使用了由深圳郎博萬先進材料有限公司生產的692-2k環(huán)氧樹脂，根據樹脂與固化劑的混合質量比5∶1進行實驗。實驗中還使用了分析純丙酮、長城7501脫模劑。實驗設備有干燥烘箱、KQ-50B超聲波清洗儀、WZY-240制樣機、JJ324BF數(shù)字電子天平等。

1.2" 樣品制備

使用692-2kB作為固化劑，以5∶1的質量比混合692-2kA環(huán)氧樹脂和固化劑，使用超聲波進行10 min的均勻攪拌，然后加入不同比例（環(huán)氧樹脂和固化劑總質量的質量分數(shù)0、15%、20%和25%）的碳纖維粉，之后放入磁力攪拌器中均勻攪拌10 min，溫度設置為80 ℃。用刷子先把脫模劑涂滿模具，將改性好的環(huán)氧樹脂澆注入模具中，等待1天自然固化，脫模后即可得到樣品。拉伸模具規(guī)格為200 mm×20 mm×4 mm六槽，彎曲模具規(guī)格為80 mm×15 mm×8 mm六槽，方塊模具規(guī)格為2 mm×2 mm×0.5 mm。每組拉伸、彎曲試樣各6個，方塊試樣各1個。

2" 結果與討論

2.1" 碳纖維粉改性692-2k環(huán)氧樹脂拉伸性能

按照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005）對不同尺寸、不同碳纖維摻雜量的692-2k環(huán)氧樹脂基體進行拉伸性能測試，試樣尺寸為200 mm×20 mm×4 mm，加載速率為10 mm·min^-1，得出拉伸強度測試結果，并取6個試樣的平均值作為抗拉強度。

改性環(huán)氧樹脂基體拉伸性能如表1所示，摻量對改性環(huán)氧樹脂基體抗拉強度的影響如圖1所示。由表1可以看出，無論是加入500目還是1 000目碳纖維粉都會對692-2k環(huán)氧樹脂的拉伸性能產生影響。當加入500目碳纖維粉且摻量為20%和25%時，692-2k環(huán)氧樹脂基體最大峰值力和抗拉強度均有明顯提高，在摻量為20%時具有最大抗拉強度，而在摻量為15%時略有降低。當加入1 000目碳纖維粉時，692-2k環(huán)氧樹脂基體的抗拉強度隨著摻量的增加都有所提高，在摻量為25%時具有最大抗拉強度。同樣，由表1可以看出最大峰值力與抗拉強度具有相同趨勢。由圖1可以看出，當加入500目碳纖維粉時，其抗拉強度隨著摻量的增加是先上升后下降，當摻量為20%時達到最大抗拉強度，抗拉強度為11 MPa，之后呈現(xiàn)下降趨勢，而摻量為15%時抗拉強度最小，抗拉強度為7 MPa；當加入1 000目碳纖維粉時，其抗拉強度隨著摻量的增加而增大，當摻量為25%時達到最大抗拉強度，為14 MPa，而摻量為15%時抗拉強度最小，為11 MPa。由表1中也可以看出，當加入500目碳纖維粉且摻量為20%時，其抗拉強度比未摻碳纖維粉時提高了12.5%，而當碳纖維粉摻量為25%時，其抗拉強度比未摻碳纖維粉時提高了37.5%，而當碳纖維粉摻量為15%時，則下降了12.5%。當加入1 000目碳纖維粉且摻量為15%時，其抗拉強度比未摻碳纖維粉時提高37.5%；當碳纖維粉的摻量為20%時，與未摻碳纖維粉時相比，強度提高了62.5%，而當碳纖維粉的摻量為25%時，則提升了75%。因此，添加1 000目碳纖維粉對692-2k環(huán)氧樹脂性能的提升效果明顯優(yōu)于添加500目碳纖維粉。研究還發(fā)現(xiàn)，當摻入1 000目碳纖維粉并且摻量為25%時，692-2k環(huán)氧樹脂基體的拉伸性能最好。

原因分析：向環(huán)氧樹脂中添加碳纖維粉，可以增強其承載能力并抵抗外部應力。另一方面，對于加入1 000目且摻量低于25%時，由于化學鍵效應和錨定效應等作用，碳纖維粉與基體之間形成結合良好的界面，在碳纖維粉的摻量逐漸增加的過程中，界面的黏結性也隨之增強，宏觀材料具有更好的延展性能^[6]。此外，對于摻入500目碳纖維粉的情況，當其摻量低于20％時，隨著碳纖維粉摻量的不斷增加，碳纖維粉容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，導致其在基體中的分布不再均勻。當該材料受到外部不斷增加的負載時，碳纖維粉難以將應力均勻地傳遞到樹脂基體中，從而導致局部應力集中并使集中處成為斷裂源，最終導致試樣斷裂的發(fā)生，所以改性環(huán)氧樹脂的拉伸強度有所降低。研究表明，向環(huán)氧樹脂中添加少量碳纖維粉，可以起到填充樹脂中微氣孔的作用^[7]，從而提高復合材料的力學性能。當摻入過多碳纖維粉時，在制備過程中劇烈攪拌可能會產生較多氣泡，造成材料的拉伸強度有所降低^[8]。對于具有不同尺寸的碳纖維粉，1 000目碳纖維粉比500目碳纖維粉更細，因此在混合攪拌時更容易均勻分散在樹脂中，并且容易填充氣孔。在相同添加量的情況下，

1 000目碳纖維粉具有更大的比表面積，因此可以更好地與樹脂界面結合，也有助于提高環(huán)氧樹脂的力學性能和拉伸強度。

2.2" 碳纖維粉改性692-2k環(huán)氧樹脂彎曲性能

按照《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》（GB/T 1447—2005），在萬能試驗機上采用三點彎曲法對碳纖維粉改性692-2k環(huán)氧樹脂基復合材料的彎曲強度進行測試，壓頭壓縮速率為2 mm·min^-1，試樣尺寸為80 mm×15 mm×8 mm，得出彎曲強度測試結果，并取6個試樣的平均值作為彎曲強度和最大峰值力。

改性環(huán)氧樹脂基體彎曲性能如表2所示，碳纖維粉摻量對改性環(huán)氧樹脂基體彎曲強度的影響如圖2所示。由表2可知，不管是加入500目還是1 000目碳纖維粉都會對692-2k環(huán)氧樹脂的彎曲性能產生影響。當加入500目碳纖維粉且摻量為20%和25%時，692-2k環(huán)氧樹脂基體最大峰值力和彎曲強度并沒有明顯提高，與未改性相比變化不大，而在摻量為15%時，具有最大彎曲強度，為18 MPa。當加入1 000目碳纖維粉時，692-2k環(huán)氧樹脂基體的彎曲強度隨著摻量的增加先增大而后下降，在摻量為20%時具有最大彎曲強度，為25 MPa。同樣，由表2可以看出，最大峰值力與彎曲強度具有相同趨勢。由圖2可知，當加入500目碳纖維粉時，其彎曲強度隨著摻量的增加呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢，當摻量為15%時，其彎曲強度達到最大，為

18 MPa，而當摻量為20%和25%時，其彎曲強度分別為9.8、10.1 MPa。當加入1 000目碳纖維粉時，其彎曲強度隨摻量的增加而呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢，當摻量為20%時具有最大彎曲強度，為25 MPa，當摻量為25%時彎曲強度最小，為11 MPa。由表2中也可以看出，當加入500目碳纖維粉且摻量為15%時，其彎曲強度比未摻碳纖維粉時提高了80%，而當碳纖維粉摻量為20%和25%時，其彎曲強度基本沒有變化。當加入1 000目碳纖維粉且摻量為15%時，其彎曲強度比未摻碳纖維粉時提高50%，當碳纖維粉摻量達到20%時，與不添加時相比，其彎曲強度提高了1.5倍，在25%時則提高了10%。此外還表明，相較于500目碳纖維粉，添加1 000目碳纖維粉在提升692-2k環(huán)氧樹脂的彎曲性能方面效果更為明顯。特別是，在1 000目碳纖維粉摻量為20%時，692-2k環(huán)氧樹脂基體的彎曲性能最好。

原因分析：適量碳纖維的摻雜能夠均勻分布在環(huán)氧樹脂基體中，形成致密的纖維網絡^[9]，增加了樹脂各部分之間的結合力，并且碳纖維自身具有較好的力學性能，碳纖維粉的存在也能夠提高樹脂基體的彎曲強度^[10]。對于加入500目的碳纖維粉，其摻量高于15%時，隨著碳纖維粉摻量繼續(xù)增加，過量的碳纖維摻雜，會產生局部團聚，從而降低復合材料的拉伸及彎曲性能。碳纖維粉易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，從而降低環(huán)氧樹脂基體彎曲性能，對于加入1 000目碳纖維粉摻量低于20％時，碳纖維粉與環(huán)氧樹脂受到作用力發(fā)生形變時，樹脂基體能夠有效將作用力傳遞給碳纖維粉，使其具有良好的彎曲性能，能夠有效阻礙裂紋的產生和擴散，從而增強環(huán)氧樹脂基材料的彎曲性能。

2.3" 碳纖維粉對692-2k耐熱性能的影響

對改性后的692-2k環(huán)氧樹脂進行熱氧老化實驗，研究失重率與老化時間關系。利用模具制備各組方塊試樣，各7個。實驗前，先稱量7個試樣的初始質量，之后放入干燥烘箱中進行連續(xù)5天120 ℃加熱，每天在相同時間拿出稱量其質量，記錄數(shù)據并計算其失重率。

熱氧老化前后樹脂基體質量表如表3所示，改性樹脂基體熱氧老化質損圖如圖3所示。由表3可以看出，試樣的質量每天都在下降，前2天質量下降得較快，失重約為0.2 g，隨著老化時間增加，試樣質量不再迅速下降，但是仍處于質損狀態(tài)，損失不超過0.1 g，由此可以看出老化前期質損較為嚴重。由圖3可以看出，改性前后的692-2k樹脂基體老化后的質損率與時間的關系成正相關，初始階段老化會導致試樣的質量迅速下降，并且隨著老化時間的增加，質量下降的速度加快。隨著老化時間的延長，質損率也隨之增大，但增加趨勢逐漸減小。在老化的前2天，曲線斜率較大，失重率上升較快，失重較為明顯；老化的第3天至第4天，材料持續(xù)失重，但較前2天相比，失重上升幅度略有減輕，但整體上依舊呈現(xiàn)上升的趨勢；老化的第4天至第5天，失重率曲線斜率傾斜較小，上升趨于平緩，而1 000目20%摻量的改性692-2k環(huán)氧樹脂在5天后仍呈現(xiàn)上升趨勢，其中由圖3可以看出500目25%摻量的改性692-2k環(huán)氧樹脂失重率最低。

原因分析：樹脂基體發(fā)生的熱氧老化一般分為3個階段。老化初期過程中，材料中的水分與部分小分子受熱而揮發(fā)，環(huán)氧樹脂發(fā)生后固化，部分力學性能會受到后固化程度的影響而隨之升高，但材料大部分性能呈現(xiàn)下降趨勢且幅度較小。老化中期，在熱與氧的作用下發(fā)生了物理老化與化學老化，老化過程中自由基鏈式反應所引起的分子鏈結構破壞，樹脂基體發(fā)生降解和大體積收縮，因而產生大量的裂紋且性能劣化明顯^[11]。隨著時間的增加，老化進入第三個階段，此時樹脂基體在老化的第二個階段已經遭到了很大的破壞，基本不具備黏結性，使得界面脫黏，導致應力傳遞失效。熱氧老化實驗發(fā)現(xiàn)試樣性能呈現(xiàn)下降趨勢，是因為樹脂基體在經過熱氧老化作用后不斷氧化分解，樹脂界面性能不斷下降^[12]。將碳纖維粉加入材料中，可以提高樹脂的界面能，延緩氧化分解，增強其界面的黏結性。由圖3可以看出，隨著時間的增加，在120 ℃下500目且20%摻量的碳纖維粉能更好與692-2k環(huán)氧樹脂基體結合，使其界面性能更加穩(wěn)定。

3" 結 論

1）摻入1 000目且摻量為25%的碳纖維粉時692-2k環(huán)氧樹脂具有最優(yōu)異的拉伸性能，其拉伸強度比未摻碳纖維粉的強度高出3倍以上。更進一步的研究也發(fā)現(xiàn)，500目碳纖維粉的最佳摻量為20%。

2）當1 000目碳纖維粉的摻量為20%時，692-2k環(huán)氧樹脂的彎曲性能最好，其彎曲強度比未摻碳纖維粉的692-2k環(huán)氧樹脂提高了1.5倍。

3）摻量為20%的1 000目碳纖維粉改善692-2k環(huán)氧樹脂拉伸和彎曲性能最好，可以獲得性能較好的改性環(huán)氧樹脂基體。

4）在692-2k環(huán)氧樹脂中添加碳纖維粉可以改善環(huán)氧樹脂基體的耐熱性能，在120 ℃下，500目20%摻量的692-2k環(huán)氧樹脂基體失重率最小，具有較好的耐熱性能。

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Study on Properties of Epoxy Resin Matrix Modified by Carbon Fiber Powder

LI Junhui， LI Yonghua， HUANG Jie， ZHANG Guoqing， XIE Jun， ZHANG Gang

（School of Materials Science and Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： The method of adding carbon fiber powder to 692-2k epoxy resin was studied to prepare epoxy resin matrix modified with carbon fiber powder. The effects of carbon fiber powder with different dosage （0， 15%， 20%， 25% mass fraction） and size （500 mesh and 1 000 mesh） on tensile and heat resistance properties of epoxy resin matrix were investigated. The experimental results showed that the mechanical properties and heat resistance of epoxy resin matrix could be significantly improved by different size and dosage of carbon fiber powder. The maximum tensile strength and bending strength of epoxy resin matrix without carbon fiber powder were"""" 8 MPa and 10 MPa， respectively. When carbon fiber powder with 500 mesh （25 μm） was added and dosage was 20%， the modified epoxy resin had the maximum tensile strength of 11 MPa， the maximum bending strength was 18 MPa when the content was 15%; when 1 000 mesh carbon fiber powder was added and dosage was 25%， the modified epoxy resin had the maximum bending strength of""" 14 MPa， and the maximum bending strength was 25 MPa when the content was 20%. At the same time， the modified 692-2k epoxy resin with 25% content of 500 mesh carbon fiber powder was heated at 120 ℃ for 5 consecutive days in a drying oven， and the heat resistance of the material was improved effectively with the minimum weight loss rate.

Key words： "Epoxy resin; Carbon fiber powder; Tensile property; Bending property; Heat resistance