劉元軍，趙曉明，拓 曉

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

劉元軍，趙曉明，拓 曉

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

為了制備拉伸和彎曲性能良好的聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，研究了聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量和固化溫度對(duì)復(fù)合材料拉伸和彎曲性能的影響，優(yōu)化出力學(xué)性能最佳的聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備方法，并拍攝了復(fù)合材料拉伸斷口的SEM圖像.研究表明：當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量為15%時(shí)，其縱向和橫向的拉伸斷裂載荷達(dá)到最大值，分別為1 643.73和1 235.72 MPa；同時(shí)縱向和橫向彎曲強(qiáng)度也達(dá)到最大值，分別為64.39和53.06 MPa；復(fù)合材料的SEM圖像顯示，縱向拉伸斷口處有少量裸露纖維，其分布方向與針刺氈鋪網(wǎng)方向一致.

聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈；環(huán)氧樹(shù)脂；復(fù)合材料；力學(xué)性能

復(fù)合材料，是指由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料如金屬、陶瓷及高分子材料等，通過(guò)物理或化學(xué)等制備工藝制備的多相材料.為滿(mǎn)足汽車(chē)制造業(yè)、航空航天等高端技術(shù)的需求，科學(xué)家們研制和生產(chǎn)出許多高模量、高強(qiáng)度纖維，如芳綸纖維、石墨纖維、碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維等.隨后以上述高性能纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料也相繼問(wèn)世［1］.隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，復(fù)合材料將會(huì)替代大部分傳統(tǒng)材料，應(yīng)用到更多領(lǐng)域［2］.預(yù)氧絲是碳纖維制作環(huán)節(jié)中間產(chǎn)品，其價(jià)格比碳纖維低，但預(yù)氧絲纖維呈現(xiàn)脆性、纖維與纖維之間抱合力差、卷曲少、成條困難、強(qiáng)力低、紡紗和織造過(guò)程中斷頭率高，不能作為復(fù)合材料增強(qiáng)體.為了克服該缺點(diǎn)，利用層疊針刺法將預(yù)氧絲纖維網(wǎng)胎和預(yù)氧絲布交替疊層后針刺制得預(yù)氧絲氈，此類(lèi)型氈增加了X-Y向連續(xù)纖維含量，有效避免了產(chǎn)品在生產(chǎn)及熱試車(chē)過(guò)程中發(fā)生軸向開(kāi)裂，明顯提高了預(yù)氧絲制品的拉伸和彎曲性能［3-6］；另外，預(yù)氧絲氈具備輕質(zhì)、柔軟、吸水性好、紡織加工性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種保溫材料等［7-10］.本實(shí)驗(yàn)研究了聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固化溫度對(duì)復(fù)合材料拉伸和彎曲性能的影響，制備出具有良好拉伸和彎曲性能的聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈復(fù)合材料.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和試劑

聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈（克重：300 g/m2，由南通東麗邦碳纖維有限公司提供），低分子650聚酰胺樹(shù)脂（由杭州五會(huì)港膠粘劑有限公司提供），環(huán)氧樹(shù)脂（E-44型，由中石化巴陵石化分公司提供）等.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

塑料制品液壓機(jī)（Y/TD71-45A型，天津市天鍛壓力機(jī)有限公司），環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quam ta200型，捷克FEI公司），Instron萬(wàn)能強(qiáng)力儀（3369型，美國(guó)Instron公司），電熱恒溫水浴鍋（雙列四孔型，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司），真空干燥箱（DZF-6020型，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），電子分析天平（AE200型，梅特勒-拖利多儀器上海有限公司），電動(dòng)攪拌機(jī)（JJ-1型，江蘇金壇市中大儀器廠），烘箱（YG747型，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）等.

1.3 復(fù)合材料制備工藝

1.3.1 基體的制備

1）稱(chēng)取環(huán)氧樹(shù)脂基體，加入相對(duì)基體質(zhì)量15%的無(wú)水乙醇進(jìn)行稀釋.

2）按基體：固化劑=2∶1的比例加入聚酰胺650固化劑.

3）攪拌至均勻，待用.

實(shí)驗(yàn)所用的樹(shù)脂基體配方如表1所示.

表1 樹(shù)脂基體配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.3.2 聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈的預(yù)處理

將聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈無(wú)紡布裁剪成20 mm× 9 mm的試樣，放入體積分?jǐn)?shù)為2%的無(wú)水乙醇溶液中浸漬洗滌10 min，然后，將試樣80℃烘30 h.

1.3.3 制備流程

利用針刺工藝得到的聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈具有很好的空隙效果、滲透性、延伸性，易于模壓成型.利用聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈的這些特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)單低成本的復(fù)合材料成型法，手糊浸潤(rùn)法將聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈基材和環(huán)氧樹(shù)脂基體復(fù)合.將調(diào)配好的環(huán)氧樹(shù)脂在室溫條件下采用手糊法讓樹(shù)脂充分浸潤(rùn)，由于稀釋過(guò)后的環(huán)氧樹(shù)脂流動(dòng)性很好，因此，模壓前要在一定溫度下固化一段時(shí)間，防止模壓時(shí)樹(shù)脂基體的過(guò)多流失.

制備流程如下：

1）聚丙烯腈基預(yù)氧絲基材的前處理；

2）環(huán)氧樹(shù)脂基體的制備；

3）環(huán)氧樹(shù)脂基體手糊浸潤(rùn)聚丙烯腈基預(yù)氧絲基材；

4）裝模，預(yù)固化；

5）壓制，脫模.

1.3.4 模壓工藝流程

1）零壓60℃保溫預(yù)固化1 h；

2）90℃，壓力5 MPa壓制60 min；

3）定時(shí)卸壓；

4）升溫到130℃，壓制30 min；

5）保壓冷卻；

6）140℃固化2 h；

7）脫模.

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 拉伸性能

拉伸性能測(cè)試?yán)肐nstron萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，參照GB1447—2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法［11-16］.

1.4.2 彎曲性能

彎曲性能測(cè)試?yán)肐nstron萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，參照GB1449—2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能測(cè)試方法［11-16］，測(cè)試方法為三點(diǎn)彎曲法，加載方式如圖1所示.

圖1 加載方式

1.4.3 電鏡性能

電鏡測(cè)試?yán)铆h(huán)境掃描電子顯微鏡，參照J(rèn)B/T 6842—93實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 制備工藝條件對(duì)拉伸和彎曲性能的影響

2.1.1 基材含量對(duì)拉伸和彎曲性能的影響

為了探究基材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸和彎曲性能的影響，設(shè)計(jì)了5組實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)

不同聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)復(fù)合材料拉伸和彎曲性能影響的測(cè)試結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出，當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量為15%時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，其縱向和橫向的拉伸斷裂載荷達(dá)到最大值，分別為1 643.73和1 235.72 MPa；同時(shí)縱向和橫向彎曲強(qiáng)度也達(dá)到最大值，分別是64.39和53.06 MPa.而當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量大于15%時(shí)，隨著聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈比重的增加，復(fù)合材料力學(xué)性能逐漸減弱.為了解釋其原因，引入纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料受力模型進(jìn)行分析.纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的受力模型如圖3所示.

圖2 不同聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量對(duì)復(fù)合材料拉伸和彎曲性能的影響

圖3 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料受力模型示意圖

當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體結(jié)合良好且沒(méi)有相對(duì)滑移時(shí)，受到外力F作用時(shí)，增強(qiáng)體纖維和樹(shù)脂基體產(chǎn)生相同應(yīng)變?chǔ)?，則復(fù)合材料受到拉伸應(yīng)力σc為

式中：σf和σm分別是增強(qiáng)體纖維和樹(shù)脂基體所承受的應(yīng)力；Ef和Em分別表示纖維模量和樹(shù)脂基體模量.顯然Ef?Em，故σf?σm.因此，可以得出，當(dāng)復(fù)合材料承受外力作用時(shí)，纖維增強(qiáng)體將承擔(dān)大部分外加載荷.由此結(jié)論可以得出，當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)小時(shí)，復(fù)合材料中主要承受外載荷的增強(qiáng)體纖維過(guò)少，導(dǎo)致復(fù)合材料整體力學(xué)性能較差.當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)15%時(shí)，樹(shù)脂含量相對(duì)減少，基體無(wú)法充分浸透纖維氈，導(dǎo)致增強(qiáng)體與樹(shù)脂之間粘結(jié)強(qiáng)度不足，承受外力時(shí)樹(shù)脂易與纖維脫落，從而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能.

2.1.2 固化溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

為了探究固化溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)了5組實(shí)驗(yàn)，分別在室溫、60、100、140、180℃條件下對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行固化實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)如表3所示.

各組實(shí)驗(yàn)復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試如圖4所示.由圖4可以看到，隨著溫度升高，復(fù)合材料力學(xué)性能提高.當(dāng)溫度低于100℃時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能的變化速率比高于100℃時(shí)變化明顯.即相同固化時(shí)間里，在一定范圍內(nèi)固化溫度越高則試樣固化越充分，試樣力學(xué)性能越好.

表3 實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)

圖4 不同固化溫度對(duì)復(fù)合材料彎曲和拉伸性能的影響

2.2 復(fù)合材料拉伸斷口的SEM圖像

圖5是復(fù)合材料在擴(kuò)大280倍的掃描倍數(shù)下拍攝的聚丙烯腈預(yù)氧絲復(fù)合材料縱向拉伸斷口形貌.

圖5 復(fù)合材料縱向拉伸斷口形貌的SEM圖像

由圖5可以看出，在縱向拉伸斷口處有少量裸露纖維，其分布方向與針刺氈鋪網(wǎng)方向一致，即與復(fù)合材料拉伸斷裂方向一致.當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈復(fù)合材料承受拉應(yīng)力時(shí)，纖維受力方向與復(fù)合材料拉伸方向基本一致，因此，能夠承受大部分環(huán)氧樹(shù)脂基體的傳遞載荷，具有優(yōu)異的拉伸和彎曲性能.另外，環(huán)氧樹(shù)脂基體呈現(xiàn)較明顯的拉伸狀，呈層片狀包覆在聚丙烯腈預(yù)氧絲纖維基材周?chē)?，說(shuō)明在拉伸過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂基體也承受了部分拉應(yīng)力，復(fù)合材料最終因大部分的基材與基體脫粘而發(fā)生斷裂.

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，以聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈為增強(qiáng)體，制備出具有良好拉伸和彎曲性能的聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈復(fù)合材料.聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量為15%時(shí)，其縱向和橫向的拉伸斷裂載荷達(dá)到最大值，分別為1 643.73和1 235.72 MPa；同時(shí)縱向和橫向彎曲強(qiáng)度也達(dá)到最大值，分別是64.39和53.06 MPa.當(dāng)聚丙烯腈基預(yù)氧絲氈含量為15%、固化溫度為180℃時(shí)，制備的復(fù)合材料拉伸和彎曲性能最佳.

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（編輯 呂雪梅）

Study on the mechanical properties of PAN-based pre-oxidized fiber felt composite material

LIU Yuanjun，ZHAO Xiaoming，TUO Xiao

（College of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to prepare PAN-based pre-oxidized fiber felt composite materials with good tensile and bending properties，effects of the content of PAN-based pre-oxidized fiber felt and the curing temperature on their properties were studied to optimize the preparation method of epoxy resin composite materials.And tensile fracture surfaces were investigated using SEM images.Results showed that the longitudinal and transverse tensile breaking load reached maximum values with 1 643.73 MPa and 1 235.72 MPa respectively when the mass of PAN-based pre-oxidized fiber is 15%of that of epoxy resin.Meanwhile，the longitudinal and transverse bending strength reached the maximum values of 64.39 MPa and 53.06 MPa，respectively.SEM images of composite material showed a little bare fiber remained on the longitudinal tensile fracture surfaces，and the direction of the distribution of fiber was identical to the net of needled felt.

PAN-based pre-oxidized fiber felt；epoxy；composites；mechanical properties

TB322

A

1005-0299（2015）06-0082-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150615

2015-04-28.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51206122）.天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（13JCQNJC03000）；2015年天津工業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（15101）.

劉元軍（1986—），女，博士.

趙曉明，E-mail：texzhao@163.com.