王志超　柴國強　王志　張旭

摘 要：為研究碳纖維對環(huán)氧樹脂的阻燃性的影響，以高溫模壓的方法制備了碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，并研究了碳纖維的含量對該復合材料性能的影響。結果表明：碳纖維的長度在1-3mm時，能夠容易地分散在環(huán)氧樹脂中，且當碳纖維的含量為1.0wt%時，試件的阻燃性能最佳。UL-94水平燃燒測試表明，該含量下的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的燃燒級別由FH-3提高到了FH-2。

關鍵詞：碳纖維；環(huán)氧樹脂；制備；水平燃燒測試

中圖分類號：V258 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0067-02

引言

環(huán)氧樹脂是目前應用最為廣泛的熱固性樹脂之一，具有質量輕、力學性能好、成本低廉等優(yōu)點[1]，因此被廣泛用于國防、航空航天等領域[2]，已成為航空航天復材體系中必備的基體材料之一[3]。碳纖維（CF），是一種含碳量在95%以上的高強度的新型纖維材料，不僅具有一般纖維所共有的優(yōu)良性能，而且在纖維方向上有很高的抗張強度和模量[4]。

碳纖維復合材料具有可設計性強、疲勞性能好等優(yōu)點，以環(huán)氧樹脂為基體，碳纖維為增強材料，制備碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料對于發(fā)展我國自有知識產(chǎn)權的高性能熱固性樹脂基復合材料品牌，推動我國航空航天等高尖端技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有重要意義[5-6]。本文采用超聲分散、溶液共混法將環(huán)氧樹脂（EP）作基體，碳纖維（CF）作添加劑，研究了阻燃環(huán)氧樹脂復合材料的制備方法，通過UL-94水平燃燒對材料的阻燃性能進行了測試表征。

1 實驗原料

環(huán)氧樹脂，美國亨斯邁集團；固化劑，美國亨斯邁集團；模具若干，深圳市凱杰五金塑膠制品有限公司；CF，日本東麗公司；濃硝酸，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇，國藥集團化學試劑有限公司。

2 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的制備

2.1 碳纖維的氧化處理

將未剪切的碳纖維全部放到濃硝酸中，隨后用蒸餾水對浸泡過后的碳纖維進行反復清洗，使其PH值到中性。最后將其放于鼓風干燥箱中，調至溫度為95℃進行烘干。烘干恒重后，剪切至1-3mm長。

2.2 實驗步驟

以制備質量分數(shù)1.0%碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料為例，制備過程如下：

（1）使用電子天平稱取所需材料用量，先稱取0.6g碳纖

維，用鑷子每次夾取少量碳纖維放到濾紙上，直到屏幕上顯示0.6000g（0.02g）為止，取出濾紙和碳纖維。再用同樣的方法稱取剩余幾種材料。

（2）將稱取好的0.6g碳纖維，0.072g分散劑，150ml乙酸

乙酯，1.8g硅烷偶聯(lián)劑分別放入燒杯中，用玻璃棒進行攪拌。隨后將其放入超聲波清洗機中進行超聲分散60min。接著將稱取好的60g環(huán)氧樹脂倒入燒杯中，并用玻璃棒攪拌均勻，再超聲分散30min。

（3）將裝有分散好的混合溶液放入電熱恒溫水浴鍋中，直至溶劑較完全揮發(fā)掉為止。

（4）將混合液進行脫泡處理1小時，排出混合溶液中的氣體。

（5）將20.4g固化劑倒入上述混合溶液中，并攪拌均勻，將混合液澆注到模具中。最后將其放入鼓風干燥箱中。

（6）4小時候后，取出模具，冷卻脫模。

制備的試件符合測試標準的如圖1所示，由圖可以看出材料表面比較光滑，碳纖維分布相對較為均勻。

3 水平燃燒實驗結果與討論

水平燃燒測試是在實驗室內(nèi)進行的用小火焰點燃水平放置的材料，通過測量線性燃燒速度或者燒損長度、燃燒顆粒滴落情況來評判材料的燃燒性能。其中材料的燃燒級別由高到低依次為FH-1、FH-2、FH-3、FH-4。

根據(jù)GB/T2408-1996塑料燃燒性能試驗方法，選取三個有效試樣，并取平均值，得到下表不同含量的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料水平燃燒測試數(shù)據(jù)及現(xiàn)象。由表可知，環(huán)氧樹脂的燃燒速度為最大，達到了30mm/min，且燃燒過程中伴有大量的融滴滴落，自熄性很差。當碳纖維含量為0.5%時，環(huán)氧樹脂復合材料的燃燒速度減小到了22.45mm/min，降低了25.2%。當碳纖維含量為0.7%時，環(huán)氧樹脂復合材料的燃燒速度減小到了19.6 mm/min，降低了34.7%。當碳纖維含量為1.0%時，環(huán)氧樹脂復合材料的沒有燃燒到預先標定的100mm處，此時燒損長度為70mm，燃燒級別由FH-3提升到了FH-2，且此時復材沒有融滴的滴落，而是表現(xiàn)為殘?zhí)嫉拿撀?，說明碳纖維有效抑制了材料燃燒的擴散速度，并在一定程度上改善了其自熄性能。而當碳纖維含量為1.5%時，材料的水平燃燒速度有所變大，這表明材料的阻燃性能開始下降，可能是由于隨著碳纖維含量的增多，其在環(huán)氧樹脂中難以分散均勻，在其內(nèi)部可能形成較多的氣孔等缺陷。

4 結束語

通過對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的制備及性能分析，結果表明：

（1）碳纖維/環(huán)氧樹脂的制備過程需要良好的溫度和時間控制。

（2）碳纖維的長度直接影響試件的制備，當碳纖維的長度為1-3mm時，可以較成功地完成標準試件的制備。

（3）碳纖維的含量是影響

試件阻燃性能的主要因素。當碳纖維含量為1.0%時，其阻燃效果最佳。

參考文獻：

[1]益小蘇.先進樹脂基復合材料高性能化理論與實踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011：98.

[2]倪禮忠，周權.高性能樹脂基復合材料[M].上海：華東理工大學出版社，2009：3-5，16-19.

[3]李威，郭權鋒.碳纖維復合材料在航天領域的應用[J].中國光學，2011，04（3）：201-212.

[4]尹翔宇，朱波，劉洪正，等.碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的研究現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應用，2011（06）：42-44.

[5]田恬.從跟蹤發(fā)展到自主創(chuàng)新，走出獨特的國產(chǎn)碳纖維創(chuàng)新體系——訪碳纖維專家徐 華教授[J].科技導報，2016，34（8）：100-102.

[6]李建利，趙帆，張元，等.碳纖維及其復合材料在軍工領域的應用[J].合成纖維，2014，43（3）：33-35.

[7]GB/T2408-2008.塑料燃燒性能的測定：水平法和垂直法[S].endprint