黃彩飛，陳國(guó)平，王禹

(西南科技大學(xué)，四川綿陽(yáng) 621000)

碳纖維布具有強(qiáng)度高、密度小、厚度薄，且在加固構(gòu)件時(shí)基本不增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重及截面尺寸等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用在工程加固中，以達(dá)到增強(qiáng)基底材料的力學(xué)性能的目的。將碳纖維布應(yīng)用于塑料板材中，意在制備出一種輕質(zhì)高效的新型板材。目前筆者所在課題組已經(jīng)完成了粗糙度對(duì)碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響的相關(guān)的試驗(yàn)，并得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。現(xiàn)在對(duì)膠層厚度這一影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，了解膠層厚度對(duì)碳纖維布效能發(fā)揮的影響，為板材制作提供指導(dǎo)。同時(shí)結(jié)合粗糙度的研究結(jié)果，合理的優(yōu)化二者的物性關(guān)系從而進(jìn)一步提高碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能。目前，研究表明，膠層厚度是影響碳纖維布發(fā)揮其效能的一個(gè)重要因素[1–4]，且不同厚度的膠層對(duì)不同的基底材料有著不同的影響[5–11]，為了更好了解膠層厚度對(duì)碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響[12–14]，筆者分別制作了0.5，1，1.5，2 mm 四種不同厚度的模具，用于涂刷出不同厚度的膠層，同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行相同方式的打磨并采用粗糙度儀進(jìn)行檢測(cè)，制備出粗糙度相接近的試件，并在試件上粘貼相同大小、相同數(shù)量的碳纖維布，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用由日本辰日株式會(huì)社提供的碳纖維布和配套樹(shù)脂和上海昇輝橡膠制品公司提供的聚丙烯板材進(jìn)行試件的制作，材料性能見(jiàn)表1。

表1 材料性能

2 試件制作

拉伸試件的尺寸參照GB／T 1447–2005 《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行制作，具體尺寸如圖1 所示。

圖1 試件示意圖

試件制作過(guò)程主要分為以下三個(gè)步驟：步驟一利用打磨機(jī)分別對(duì)試件進(jìn)行30 s 的打磨，分A、B、C 三組，每組四個(gè)不同膠層厚度，共打磨12 個(gè)試件。并且利用粗糙度儀進(jìn)行取點(diǎn)檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，以平均值視為試件表明粗糙度的參考值。

表2 試件粗糙度檢測(cè)

步驟二按照主劑與硬化劑2 ∶1 的比例拌合好的樹(shù)脂且靜置2 h 后待樹(shù)脂的流動(dòng)性較弱時(shí)，用于膠層的填涂。步驟三利用制作的模具對(duì)試件進(jìn)行膠層的填涂，且在相同位置上粘貼相同尺寸、相同數(shù)量的碳纖維布，靜置10 h 后將其模具脫離。具體操作步驟見(jiàn)圖2。將粘貼好的試件靜止16 h(由于氣溫的原因)以上待樹(shù)脂完全硬化，得到4 種不同膠層厚度的試件。圖3 為不同厚度的模具、不同膠層厚度的試件，圖4 為粗糙度儀。

圖2 試件的制作與膠層控制過(guò)程

圖3 不同厚度的模具及不同膠層厚度的試件

圖4 粗糙度儀

3 試驗(yàn)方法

將制作好的試件依據(jù)GB／T3354–2014，在微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖5 所示，拉伸速率為1 mm／min，直到樹(shù)脂與板材間完全脫膠后停止試驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)力–位移數(shù)據(jù)。同時(shí)為了考慮材料自身的差異對(duì)試驗(yàn)的影響，在試驗(yàn)前對(duì)未粘貼碳纖維布的試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，3 個(gè)空白試件的試驗(yàn)力–位移曲線擬合性較高。

圖5 濟(jì)南聯(lián)工萬(wàn)能試驗(yàn)與控制系統(tǒng)與試件

4 結(jié)果分析

試驗(yàn)共拉伸15 個(gè)試件，同時(shí)設(shè)置了對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，得出了三組試驗(yàn)結(jié)果。圖6～圖8 分別為A組、B 組、C 組的荷載–位移圖。其中A 組中的1A試件由于試驗(yàn)機(jī)夾具問(wèn)題，導(dǎo)致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，在結(jié)果分析時(shí)不予討論，最終得到14 個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中K1，K2，K3 為試驗(yàn)的空白對(duì)照試件，其上未粘貼碳纖維布。其他的試件粘貼了碳纖維布稱為復(fù)合試件。根據(jù)復(fù)合試件在試驗(yàn)過(guò)程中的變化，人為將復(fù)合試件的拉伸試驗(yàn)共分為三個(gè)時(shí)期，分別是初期、中期和后期。加載初期：碳纖維布、膠層、聚丙烯試件共同受力，當(dāng)載荷增加接近膠層剝離荷載時(shí)，碳纖維布從聚丙烯試件的端部開(kāi)始剝離。加載中期：碳纖維布與膠層開(kāi)始在試件的兩端部出現(xiàn)上翹的現(xiàn)象，之后破壞繼續(xù)向中間擴(kuò)展。加載后期：碳纖維布大部分從試件上剝離直到全部脫落。

圖6 A 組荷載–位移

圖7 B 組荷載–位移

圖8 C 組荷載–位移

當(dāng)復(fù)合試件在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，其荷載–位移曲線不會(huì)出現(xiàn)像碳纖維布增強(qiáng)鋼材那種突然的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其線型為較為平滑的曲線，其拉伸曲線的最大特點(diǎn)就是曲線斜率的變化，但其變化的范圍不大，這表明環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)聚丙烯的粘接強(qiáng)度遠(yuǎn)小于對(duì)鋼材的粘接強(qiáng)度。同時(shí)根據(jù)加載曲線的斜率變化可知，當(dāng)復(fù)合試件開(kāi)始受力加載時(shí)，碳纖維布、膠層、聚丙烯共同抵抗外荷載，隨著荷載的不斷增加，膠層與聚丙烯的粘接處逐漸出現(xiàn)剝離，直到碳纖維布與膠層全部脫落，其整體過(guò)程時(shí)間較短但可以觀察到其斜率出現(xiàn)先增大后減小的變化，同時(shí)過(guò)程中也未出現(xiàn)膠層與聚丙烯剝離的撕裂聲，這導(dǎo)致試驗(yàn)中的膠層與聚丙烯剝離的時(shí)間點(diǎn)難以判斷。則前期試驗(yàn)曲線斜率的變化是論證碳纖維布增強(qiáng)效果的重要依據(jù)。圖9～圖11 分別為A 組、B 組、C 組的初期斜率。

圖9 A 組初期斜率

圖10 B 組初期斜率

圖11 C 組初期斜率

根據(jù)圖6～圖8 三組試驗(yàn)的荷載–位移曲線可知，當(dāng)荷載在0～0.4 kN 的范圍內(nèi)時(shí)，在相同的試驗(yàn)力下隨著膠層厚度的增加，其試件的變形量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度逐漸減小，表明復(fù)合試件的抗拉剛度隨膠層厚度的增加，出現(xiàn)先增大然后減小的趨勢(shì)。三組試驗(yàn)曲線中的0.5 mm 與1 mm 的曲線線形均高于1.5 mm 與2 mm 的曲線線形，則表明0.5 mm 與1 mm 的厚度的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于1.5 mm 與2 mm 厚度的試件。

根據(jù)圖9、圖10、圖11 試驗(yàn)前期的斜率–膠層厚度的折線圖可知，空白試件與不同的膠層厚度的復(fù)合試件在試驗(yàn)的前期，其曲線斜率有著明顯的差異，隨著膠層厚度的增加，曲線斜率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其中0.5 mm 與1 mm 的斜率最大，1.5 mm與2 mm 的斜率較小但大于空白試件，表明0.5 mm與1 mm 的厚度試件的增強(qiáng)效果要遠(yuǎn)高于1.5 mm與2 mm 的試件，膠層為0.5 mm 與1 mm 的試件比空白試件在荷載–位移的斜率上分別最少提高了23%與34.8%，而膠層為1.5 mm 與2 mm 的試件比空白試件在荷載–位移的斜率上分別最多提高了20.8%與16.7%。當(dāng)復(fù)合試件拉伸試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)三組試驗(yàn)中的0.5 mm 試件的膠層均有斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生，而三組試驗(yàn)中的1，1.5，2 mm 試件的膠層均無(wú)斷裂的現(xiàn)象。這表明0.5 mm 的膠層在碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中強(qiáng)度不夠。綜上所述，膠層厚度對(duì)碳纖維布效能發(fā)揮著一定的影響，其中0.5 mm 與1 mm 厚度的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于1.5 mm 與2 mm。

通過(guò)上述分析與試驗(yàn)的對(duì)比，為了有效提高碳纖維布的利用率、提升碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能，在實(shí)際膠層涂刷的過(guò)程中膠層厚度的控制應(yīng)當(dāng)大于0.5 mm。圖12 為試件的破壞形態(tài)。

圖12 試件的破壞形態(tài)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)復(fù)合試件與空白試件的拉伸試驗(yàn)，分析得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及0.5 mm 試件的破壞現(xiàn)象可知，使用碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯時(shí)涂刷膠層的厚度“T”的范圍應(yīng)當(dāng)控制在0.5 mm ≤T ≤1mm。

(2) 根據(jù)對(duì)不同膠層厚度試驗(yàn)線形分析及曲線斜率變化的趨勢(shì)可知，碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯的抗拉性能隨著膠層厚度的增加而減小。

(3) 由試驗(yàn)的斜率的變化幅度可知，膠層厚度的變化對(duì)提高碳纖維布效能的發(fā)揮有著一定的影響但其影響程度不大。

(4) 試件的成功制作，膠層厚度均勻且相同膠層厚度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，表明利用模具的方式制作不同厚度的膠層是可行的。

(5) 根據(jù)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)曲線的分析可知，環(huán)氧樹(shù)脂與聚丙烯的粘接強(qiáng)度低于與鋼材的粘接強(qiáng)度。