孔俊嘉 明皓 吳尚鋒

摘? ?要：將環(huán)氧樹脂作為基體樹脂，加入一定量經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑偶聯(lián)的二氧化硅，攪拌均勻后，與經(jīng)過表面處理的碳纖維用手糊成型的工藝制備成復(fù)合材料。結(jié)果表明，當(dāng)SiO2的加入量為9份時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了6.1%和16%。通過掃描電鏡觀察，SiO2可均勻分布在基體樹脂中，并沒有影響碳纖維與基體樹脂的粘結(jié)性，而且提高了整個(gè)體系的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：二氧化硅? 碳纖維? 環(huán)氧樹脂? 復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是近代崛起的一類非常引人注目的新型材料，它可以兼顧纖維和基體的性能而成為綜合性能更加優(yōu)異的工程結(jié)構(gòu)材料和具有特殊性能的工程材料[1-2]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于其比重小、力學(xué)及化學(xué)性能高，首先被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，包括人造衛(wèi)星和高性能飛機(jī)的齒輪、軸承等機(jī)械材料以及機(jī)翼、機(jī)身等輕質(zhì)材料[3]。用碳纖維和環(huán)氧樹脂基體復(fù)合而成的樹脂基復(fù)合材料是目前用得最多，也是最重要的一種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[4]。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、粘合性、力學(xué)性能、低收縮性、易加工和低成本等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍非常廣泛[5-6]。納米二氧化硅主要呈現(xiàn)三維的結(jié)構(gòu)模式，分子結(jié)構(gòu)中有大量的不飽和殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，這種結(jié)構(gòu)模式可以大大提高材料的硬度和強(qiáng)度，并且尺寸小能夠存于高分子鍵的空隙中，可以增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性和延展性[7-9]。本文在改性環(huán)氧樹脂中，加入一定量的納米二氧化硅，其涂覆的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有所提高，并且沖擊強(qiáng)度提高的幅度更大，說明填料SiO2的加入有效地改善了環(huán)氧樹脂的韌性和綜合力學(xué)性能[10]。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

納米二氧化硅（SiO2）;雙馬來酰亞胺;二氨基二苯基甲烷;環(huán)氧樹脂E51;碳纖維。

1.2 主要儀器設(shè)備

電子拉力試驗(yàn)機(jī)：RGD-5，深圳市瑞格爾儀器有限公司;數(shù)字沖擊試驗(yàn)機(jī)：GT-7045-MD，高鐵科技股份有限公司;綜合熱分析儀，STA449C，德國(guó)耐馳;高低真空掃描電子顯微鏡：Hitachi-800，日本日立公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝方法

將環(huán)氧樹脂加入到燒杯中，在90℃恒溫加熱磁力攪拌鍋中預(yù)熱5min后，加入一定量經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑偶聯(lián)的二氧化硅，待攪拌均勻后，加入雙馬來酰亞胺，恒溫?cái)嚢?5min，降溫至70℃，再加入已經(jīng)熔融的二氨基二苯基甲烷，使溶液攪拌均勻。與經(jīng)過表面處理的碳纖維用手糊成型的工藝制備成復(fù)合材料，做成標(biāo)準(zhǔn)樣條。

2? 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，CFRP的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)SiO2用量為9份時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到411.2MPa，比初始狀態(tài)提高了6.1%，由于經(jīng)過偶聯(lián)劑偶聯(lián)的SiO2與基體樹脂發(fā)生了化學(xué)鍵的結(jié)合，增強(qiáng)了界面的粘結(jié)，使SiO2能夠承擔(dān)一定的載荷，提高了材料的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)SiO2含量過多時(shí)，容易在樹脂發(fā)生團(tuán)聚，影響整個(gè)體系的性能。

當(dāng)CFRP受到彎曲應(yīng)力時(shí)，材料的下表面承受的是拉應(yīng)力，而材料的上表面承受的是壓應(yīng)力，材料的中部受剪切應(yīng)力的作用。可見，材料在受到彎曲應(yīng)力時(shí)，其受力狀態(tài)比較復(fù)雜。從圖1可以看出，基體樹脂中加入SiO2的彎曲強(qiáng)度與純基體樹脂涂覆的CFRP相比變化不大。

2.2 對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

由圖2可知，當(dāng)SiO2在基體樹脂中用量為9份時(shí)，CFRP的沖擊強(qiáng)度最大為98.4kJ/m2，比初始狀態(tài)提高了約16%，繼續(xù)增加SiO2含量時(shí)，體系的沖擊強(qiáng)度則出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這說明SiO2能夠在基體樹脂中分散均勻，能使基體樹脂的韌性有所提高。當(dāng)體系受到?jīng)_擊的時(shí)候，均勻地分散在基體中的SiO2與基體之間的銀紋吸收沖擊能，阻止銀紋的擴(kuò)散，同時(shí)因?yàn)閼?yīng)力場(chǎng)的相互作用，在基體內(nèi)產(chǎn)生很多的微變形區(qū)，吸收一部分的能量。而當(dāng)SiO2含量過大，粒子之間過于接近，材料受應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的微裂紋和塑性變形太大，有可能發(fā)展成宏觀應(yīng)力開裂，從而使材料性能下降。

2.3 復(fù)合材料熱重分析

由圖3可知，基體樹脂中加入9份SiO2后，CFRP的熱穩(wěn)定性有所下降，從初始的357.5℃下降到354.3℃，因?yàn)镾iO2不溶于基體樹脂，SiO2的加入使基體樹脂粘度增加，鏈段間的反應(yīng)速率降低，阻礙了體系中各鏈段間的反應(yīng)，從而導(dǎo)致體系的熱分解溫度降低。

2.4 復(fù)合材料斷面形貌分析

圖4為基體樹脂中加入9份SiO2的碳纖維復(fù)合材料斷口形貌。由圖可知，SiO2均勻的分布在基體樹脂中，大部分碳纖維周圍都包裹著基體樹脂，說明SiO2的加入并沒有影響碳纖維與基體樹脂的粘結(jié)性，斷口表面雖有少量裂紋，但SiO2的存在阻止了基體樹脂的繼續(xù)開裂，使裂紋發(fā)生在可控范圍內(nèi)并吸收能量，SEM圖直觀的證明了基體中加入合適量的填料對(duì)整個(gè)體系的力學(xué)性能都有所提高。

3? 結(jié)語

（1）在碳纖維復(fù)合材料中，SiO2的加入量為9份時(shí)，CFRP的綜合力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了6.1%和16%。

（2）通過掃描電鏡觀察，基體樹脂內(nèi)加入9份SiO2后，SiO2均勻分布在基體樹脂中，并沒有影響碳纖維與基體樹脂的粘結(jié)性，而且提高了整個(gè)體系的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

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