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        短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備與性能

        2019-10-21 18:43:26孫海濤
        名城繪 2019年3期
        關(guān)鍵詞:制備復(fù)合材料性能

        孫海濤

        摘要:目前,開發(fā)應(yīng)用的輕質(zhì)材料主要包括高強(qiáng)度鋼、輕合金材料、工程塑料及復(fù)合材料。復(fù)合材料主要以高性能纖維增強(qiáng)基體樹脂的復(fù)合材料為主。在輕質(zhì)材料領(lǐng)域,纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是在工程塑料高性能化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具有質(zhì)輕、高模高強(qiáng)、易成型、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等特點(diǎn),在質(zhì)量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了輕質(zhì)合金、工程塑料等。而本文就短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備與性能進(jìn)行分析研究。

        關(guān)鍵詞:短碳纖維;聚乙烯樹脂;復(fù)合材料;制備;性能

        1 導(dǎo)言

        碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料,其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo),在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合,碳纖維復(fù)合材料更頗具優(yōu)勢。在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域,除廣泛應(yīng)用的玻璃纖維外,碳纖維、芳綸、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維是當(dāng)今世界三大高性能纖維,是高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。

        2 短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料

        碳纖維的用途主要是利用其“輕而強(qiáng)”和“輕而硬”的力學(xué)特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料;利用其尺寸穩(wěn)定性,應(yīng)用于宇宙機(jī)械、電波望遠(yuǎn)鏡和各種成型品;利用其耐疲勞性,應(yīng)用于直升飛機(jī)的葉片;利用其振動(dòng)衰減性,應(yīng)用于音響器材;利用其耐高溫性,應(yīng)用于飛機(jī)剎車片和絕熱材料;利用其耐藥品性,應(yīng)用于密封填料和濾材;利用其電氣特性,應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料;利用其生體適應(yīng)性,應(yīng)用于人工骨、韌帶;利用其X光透過性,應(yīng)用于X光床板等。這些優(yōu)點(diǎn)都使得碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

        3 短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備研究

        3.1 實(shí)驗(yàn)部分

        1)主要原料。聚丙烯腈基碳纖維(12K),T700;低壓高密度聚乙烯,1600J。

        2)主要設(shè)備及儀器。疲勞試驗(yàn)機(jī),EHF-EM200K2-070-1A;注塑機(jī),XS-ZY500;掃描電子顯微鏡,JSM-6360LA。

        3.2 樣品制備

        1)制備工藝:本文以聚乙烯為基體材料和短碳纖維(未處理和氧化處理)為增強(qiáng)材料,均勻混料后采用注射成型制備復(fù)合材料。

        2)混料:短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料是非均質(zhì)材料,原料由聚乙烯樹脂顆粒和碳纖維組成,原料混合是否均勻,對成型過程以及復(fù)合材料的性能影響很大,因此混料是很重要的一道工序。

        3)注射成型:本文采用注射成型加工純聚乙烯樹脂、加入2%未處理碳纖維的聚乙烯混合料、加入4%未處理碳纖維的聚乙烯混合料、加入2%經(jīng)氧化處理過的碳纖維的聚乙烯混合料、加入4%經(jīng)氧化處理過的碳纖維的聚乙烯混合料等樣品,預(yù)熱和干燥時(shí)間為1~2h,溫度為10~100℃;機(jī)筒溫度從前段到后段分別為200~220、180~200、160~180℃,模具溫度為80~90℃,注射壓力為70~100MPa,螺桿轉(zhuǎn)速為48r/min。

        3.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

        按照GB/T16799-1997對碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料以及純聚乙烯材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn),采用的載荷類型是拉-拉載荷,試驗(yàn)波形為正弦波,加載頻率(f)為10Hz,應(yīng)力比(R)為0.1,載荷應(yīng)力分別為10、8、6、4、2MPa;每一種載荷力情況下在每一組中取3個(gè)試樣進(jìn)行疲勞測試,測定循環(huán)次數(shù)后求平均值(N),然后對所有疲勞循環(huán)次數(shù)N求對數(shù)即lgN。

        4 短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料制備結(jié)果與討論

        4.1 短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的疲勞性能

        從表1和圖1可知,隨著碳纖維含量的增加,碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命增大。隨著外加交變載荷的減少,碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命在增加,碳纖維含量不同,但疲勞壽命(S-N)曲線走勢大致相似。從理論上講,在疲勞裂紋的產(chǎn)生階段,隨著碳纖維含量的增加,聚乙烯與碳纖維界面增多,對裂紋的產(chǎn)生有利。

        本文中的碳纖維最大含量為4.021%,可能小于能夠使復(fù)合材料的疲勞性能降低的碳纖維含量臨界值,導(dǎo)致隨著碳纖維含量的增加,復(fù)合材料的疲勞壽命增加,不能滿足驗(yàn)證理論知識。對于金屬材料,我們把S-N曲線上循環(huán)次數(shù)的對數(shù)值為7時(shí)所對應(yīng)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。但是至今沒有確認(rèn)復(fù)合材料具有這一性質(zhì),本文暫且在lgN=3處畫一條平行于Y軸的直線,與所有曲線相交的點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值為該復(fù)合材料的條件疲勞極限。根據(jù)圖1可知,隨著碳纖維含量的增加,碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料在循環(huán)數(shù)N=103即循環(huán)次數(shù)對數(shù)值lgN=3所對應(yīng)的最大應(yīng)力即條件疲勞極限值由純聚乙烯的2.379MPa逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時(shí)的9.096MPa,增大了282.346%,但增加的速度逐步減小,具體條件疲勞極限值如表2所示。

        4.2 短碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的斷裂機(jī)理

        碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞過程大致可分為疲勞裂紋的產(chǎn)生階段、疲勞裂紋的擴(kuò)展階段、材料的失效和斷裂階段等3個(gè)階段。在疲勞裂紋的產(chǎn)生階段,隨著碳纖維含量的增加,聚乙烯與碳纖維界面越多,對裂紋的產(chǎn)生越有利。在疲勞裂紋擴(kuò)展階段,如果疲勞裂紋的尖端擴(kuò)展至跟原裂紋擴(kuò)展方向不同的碳纖維表面,則裂紋的擴(kuò)展終止,這時(shí)只有裂紋擴(kuò)展方向改變或從聚乙烯樹脂基體中碳纖維被拔出之后,疲勞裂紋才會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展,所以碳纖維對復(fù)合材料疲勞裂紋的擴(kuò)展起阻滯作用。隨著聚乙烯樹脂基體中碳纖維含量的增加,應(yīng)力主要集中在聚乙烯與碳纖維的界面處,當(dāng)復(fù)合材料所受的應(yīng)力比聚乙烯跟碳纖維界面的黏結(jié)力大時(shí)將會(huì)有裂紋產(chǎn)生,且裂紋沿著碳纖維軸向方向擴(kuò)展。所以,隨著碳纖維含量的增加,復(fù)合材料的疲勞性能降低。

        5 結(jié)語

        結(jié)果表明,隨著碳纖維含量的增加,碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命增加;隨著外加交變載荷的減少,碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的疲勞壽命也增加;碳纖維含量不同的復(fù)合材料的S-N曲線走勢大致相似;隨著碳纖維含量的增加,碳纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料的條件疲勞極限值由純聚乙烯時(shí)的2.379MPa,逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時(shí)的9.096MPa,增大了282.346%,但增加的速度逐步減小。

        參考文獻(xiàn):

        [1]鄧華,高軍鵬,包建文.取向非連續(xù)碳纖維復(fù)合材料制備與性能[J].航空材料學(xué)報(bào),2018.

        [2]吳林志,熊健,馬力,王兵,張國旗,楊金水.新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2012.

        [3]邱春亮,沈春銀,張楊,李賓,戴干策.碳纖維氈增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015.

        (作者單位:大慶石化公司)

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