張?zhí)煊?，周文?/p>

（咸陽職業(yè)技術學院，陜西 咸陽712000）

前 言

碳纖維（CCF）增強聚醚醚酮（PEEK）復合材料由于具有比強度高、比模量大以及高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能優(yōu)越等特性[1]，而在兵乓球拍等體育器材中得到了廣泛應用。然而，由于熱塑性基體（聚醚醚酮）的黏度較高，在碳纖維復合材料制備過程中的浸潤難度較大，如果成型工藝控制不當，很容易出現(xiàn)聚醚醚酮與碳纖維的浸潤不充分以及出現(xiàn)聚醚醚酮溢出的現(xiàn)象[2]，造成最終碳纖維復合材料制品的力學性能降低。要想獲得具有較高綜合性能的碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，改善二者在制備過程中的浸潤性，并充分發(fā)揮二者的協(xié)同作用是值得研究的課題[3]。然而，直到目前為止，碳纖維（CCF）增強聚醚醚酮（PEEK）復合材料的制備技術和相關設備被國外高度壟斷，而國內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，成型工藝方面可供借鑒的報道較少[4]，具體工藝參數(shù)對碳纖維復合材料的拉伸性能和彎曲性能的影響規(guī)律仍不清楚。本文開展成型溫度和成型壓力對碳纖維復合材料力學性能的影響研究，結果將有助于碳纖維（CCF）增強聚醚醚酮（PEEK）復合材料綜合性能的提高，并推廣其在兵乓球拍等領域的應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料為兵乓球拍用碳纖維復合材料CCF/PA6，其拉伸強度為1360MPa。采用人工鋪層預成型后再進行模壓[5]的方法制備兵乓球拍用碳纖維復合材料，成型制備示意圖如圖1。將碳纖維增強熱塑性復合材料按0 度方向鋪層后置于模具中，然后轉入PMMA 型真空熱壓機中進行壓制成型，成型溫度控制在370～400℃、成型壓力為2.3～7MPa、成型保壓時間設定為18min。

1.2 實驗儀器

MTS-810 型萬能拉伸試驗機，MTS 系統(tǒng)（中國）公司，10kN；MTS-43 型萬能材料試驗機，MTS 系統(tǒng)（中國）公司，10kN；JSM-7800F 型場發(fā)射掃描電鏡，日本電子株式會社。

1.3 實驗方法

根據(jù)ASTM D3039/D3039M-08《聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》，在MTS-810 型萬能拉伸試驗機上進行拉伸強度測試，拉伸速率為1.5mm/min，取3 個試樣的拉伸性能平均值作為結果；根據(jù)ASTM D7264/D7264M-2007《聚合物基復合材料彎曲性能標準試驗》方法，在MTS-43 型萬能材料試驗機上進行三點彎曲試樣，加載頭為Φ10mm 圓柱體，寬厚比為32∶1，取3 個試樣的彎曲性能測試結果的平均值作為最終結果；拉伸斷口形貌在JSM-7800F 型場發(fā)射掃描電鏡上觀察。

2 結果及討論

設定成型壓力和保壓時間分別為4.8MPa 和18min，研究成型溫度對碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量的影響，結果如圖2。對比分析可知，成型溫度為370℃時，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別為1.13GPa 和105GPa；隨著成型溫度的升高，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量都呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型溫度為380℃時取得彎曲強度和彎曲模量最大值，分別為1.51GPa 和112GPa，分別相較于成型溫度為370℃時提高33.63%和6.67%。究其原因，這主要是因為成型溫度的升高會使得PEEK 熔體黏度減小并更容易滲透到碳纖維中而使得二者的結合力增加[6]，彎曲強度會隨之升高，但是如果成型溫度過高，在4.8MPa 的成型壓力下會有少量PEEK 逸出而造成彎曲性能降低的現(xiàn)象[7]，因此，從彎曲強度和彎曲模量角度來看，碳纖維復合材料適宜的成型溫度為380℃。

圖2 成型溫度對復合材料彎曲強度（a）和彎曲模量（b）的影響Fig. 2 The effect of molding temperature on the bending strength（a）and bending modulus（b）of the composites

圖3 成型壓力對復合材料彎曲強度（a）和彎曲模量（b）的影響Fig. 3 The effect of molding pressure on the bending strength（a）and bending modulus（b）of the composites

設定成型溫度和保壓時間分別為380℃和18min，研究成型壓力對碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量的影響，結果見圖3。對比分析可知，成型壓力為2.4MPa 時，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別為1.24GPa 和103GPa；隨著成型壓力的升高，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量都呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型壓力為4.7MPa 時取得彎曲強度和彎曲模量最大值，分別為1.82GPa 和124GPa，分別相較于成型壓力為2.3MPa 時提高46.77%和20.39%。究其原因，這主要是因為成型壓力的升高會使得PEEK 熔體與碳纖維間的缺陷減少[8]，彎曲強度會隨之升高，但是如果成型壓力過高，在7MPa 的成型壓力下會出現(xiàn)PEEK 逸出的現(xiàn)象，此時碳纖維復合材料的彎曲性能會有所降低。綜合而言，從彎曲強度和彎曲模量角度來看，碳纖維復合材料適宜的成型壓力為4.7MPa。

設定成型壓力和保壓時間分別為4.7MPa 和18min，研究成型溫度對碳纖維復合材料的拉伸強度的影響，結果如圖4。對比分析可知，成型溫度為370℃時，碳纖維復合材料的拉伸強度為1.23GPa；隨著成型溫度的升高，碳纖維復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型溫度為380℃時取得拉伸強度最大值，為1.71GPa，相較于成型溫度為370℃時提高39.02%。究其原因，這主要是因為成型溫度的升高會使得PEEK 熔體黏度減小并更容易滲透到碳纖維中而使得二者的結合力增加[9]，拉伸強度會隨之升高，但是如果成型溫度過高，在4.7MPa 的成型壓力下會有少量PEEK 逸出而造成碳纖維復合材料的拉伸強度降低，因此，從拉伸強度的角度考慮，碳纖維復合材料適宜的成型溫度為380℃。

圖4 成型溫度對復合材料拉伸強度的影響Fig. 4 The effect of molding temperature on the tensile strength of the composites

設定成型溫度和保壓時間分別為380℃和18min，研究成型壓力對碳纖維復合材料的拉伸強度的影響，結果如圖5。對比分析可知，成型壓力為2.3MPa時，碳纖維復合材料的拉伸強度為1.27GPa；隨著成型壓力的升高，碳纖維復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型壓力為4.7MPa 時取得拉伸強度最大值，為1.71GPa，相較于成型壓力為2.3MPa時提高34.65%。究其原因，這主要是因為成型壓力的升高會使得PEEK 熔體與碳纖維間的缺陷減少，拉伸強度會隨之升高[10]，但是如果成型壓力過高，在7MPa 的成型壓力下會出現(xiàn)PEEK 逸出的現(xiàn)象，此時碳纖維復合材料的拉伸性能會有所降低。綜合而言，從拉伸強度角度來看，碳纖維復合材料適宜的成型壓力為4.7MPa。

圖5 成型壓力對復合材料拉伸強度的影響Fig. 5 The effect of molding pressure on the tensile strength of the composites

設定成型溫度和保壓時間分別為380℃和18min，碳纖維復合材料的拉伸斷口形貌如圖6 所示。對比分析可見，當成型壓力為2.3MPa 時，碳纖維復合材料的拉伸斷口中有較多的碳纖維出現(xiàn)拔出現(xiàn)象，斷口平整度較差，表明此時的碳纖維與PEEK 的結合力較差[11]，反映在拉伸性能上則表現(xiàn)為此時的拉伸強度較低，這與圖4 的測試結果較為吻合；當成型壓力增加至4.7MPa 時，碳纖維復合材料的拉伸斷口較為平整，未見明顯碳纖維拔出現(xiàn)象，表明此時的碳纖維與PEEK 的結合力較強，成型過程中的PEEK 可以對碳纖維起到很好的固定作用[12]，此時的拉伸強度較高，這與圖4 的測試結果相吻合。

圖6 碳纖維復合材料的拉伸斷口形貌（a）2.3MPa（b）4.7MPa Fig. 6 The tensile fracture morphology of the carbon fiber composites（a）2.3MPa,（b）4.7MPa

3 結 論

（1）成型溫度為370℃時，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別為1.13GPa 和105GPa；隨著成型溫度的升高，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量都呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型溫度為380℃時取得彎曲強度和彎曲模量最大值，分別為1.51GPa 和112GPa，分別相較于成型溫度為370℃時提高33.63%和6.67%。

（2）成型壓力為2.4MPa 時，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別為1.24GPa 和103GPa；隨著成型壓力的升高，碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量都呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在成型壓力為4.7MPa 時取得彎曲強度和彎曲模量最大值，分別為1.82GPa 和124GPa，分別相較于成型壓力為2.3MPa 時提高46.77%和20.39%。

（3）成型溫度為370℃時，碳纖維復合材料的拉伸強度為1.23GPa；隨著成型溫度的升高，碳纖維復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型溫度為380℃時取得拉伸強度最大值，為1.71GPa，相較于成型溫度為370℃時提高39.02%。

（4）成型壓力為2.3MPa 時，碳纖維復合材料的拉伸強度為1.27GPa；隨著成型壓力的升高，碳纖維復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加而后減小特征，在成型壓力為4.7MPa 時取得拉伸強度最大值，為1.71GPa，相較于成型壓力為2.3MPa 時提高34.65%。