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        碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的抗阻力特性

        2020-12-29 07:02:10吳海池
        合成樹脂及塑料 2020年6期
        關(guān)鍵詞:泳衣環(huán)氧樹脂碳纖維

        吳海池,董 薇

        (1.河北科技學(xué)院,河北省保定市 071000;2.河北軟件學(xué)院,河北省保定市 071000)

        纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料之一,因其具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工設(shè)備、運(yùn)動機(jī)械等領(lǐng)域[1]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料密度低,強(qiáng)度高,模量高,具有很強(qiáng)的耐高溫性能,尤其適用于對質(zhì)量、疲勞、剛度特性等要求嚴(yán)格的領(lǐng)域。碳纖維質(zhì)地輕柔,彈性模量大,具有很強(qiáng)的抗拉伸性能,且基體樹脂與碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)不發(fā)生排斥行為。熱固性樹脂和熱塑性樹脂的成型工藝和熱行為不同。熱固性樹脂是在加熱加壓情況下生成的固化劑,可塑能力強(qiáng),穩(wěn)定性好,熱塑性樹脂能夠與溶劑融合,軟化冷卻后可恢復(fù)到原來的狀態(tài),因此,熱塑性樹脂形成的材料具有很強(qiáng)的抗沖擊性能,加工成本也低于熱固性樹脂合成的材料[2]。將碳纖維與樹脂基體結(jié)合能夠有效減少復(fù)合材料由于濕熱腐蝕而造成的老化[3]。

        由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的泳衣長期浸泡在水中,不可避免地受到潮濕的水汽影響,泳衣的力學(xué)性能也會因?yàn)闈駸峤荻霈F(xiàn)退化。毛才文等[4]發(fā)現(xiàn),碳纖維不具備吸濕能力,樹脂具備吸濕能力,二者在溶脹量上有明顯差異,導(dǎo)致基體樹脂的極性增高,纖維與基體樹脂越來越不匹配,出現(xiàn)膨脹效應(yīng),基體與纖維之間出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力,如此反復(fù),可能會形成龜裂紋。本文綜述了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力特性。

        1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力特性

        在研究碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗阻力特性的同時(shí),蘭總金等[5]根據(jù)拉曼光譜效應(yīng)和有限元分析理論,采用三維編織技術(shù)提高纖維與纖維間的緊密性,確保組成的復(fù)合材料是一個(gè)完整牢固的整體。碳纖維與環(huán)氧樹脂的吸濕機(jī)理不同,應(yīng)選擇適宜的吸濕機(jī)理提高碳纖維強(qiáng)度。通過加強(qiáng)碳纖維的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的抗阻力能力。

        1.1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗阻力特性增強(qiáng)技術(shù)

        目前,碳纖維廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,而碳纖維復(fù)合材料可以使碳纖維得到最大利用。馮宇晨等[6]研究了利用碳纖維制作泳衣,水進(jìn)入碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制作的泳衣后,會在復(fù)合材料中不斷擴(kuò)散,破壞高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),作為溶劑的水會與基體樹脂發(fā)生作用,基體樹脂不斷溶脹,導(dǎo)致高分子鏈出現(xiàn)松弛。郭書峰等[7]發(fā)現(xiàn),碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中的極性基團(tuán)在水中會形成氫鍵,在水的增塑作用下,降低了復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。周志宏等[8]研究表明,隨著泳衣浸泡時(shí)間的增加,水會在碳纖維與環(huán)氧樹脂基體間不斷擴(kuò)散?;w與增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合越牢固,性能越好,一旦水進(jìn)入材料,就會破壞界面結(jié)合強(qiáng)度,纖維與基體難以緊密地結(jié)合到一起,甚至無法形成一個(gè)整體,微孔形成漏洞,導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力能力降低。

        相較于傳統(tǒng)材料,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度更好,比模量更高,性能更優(yōu)越,使用這種材料設(shè)計(jì)的泳衣強(qiáng)度很好。馬芳武等[9]指出,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種紡織結(jié)構(gòu),碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合可以有效提高復(fù)合材料的厚度、強(qiáng)度,使其在高沖擊下的損傷也很小。以碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂型泳衣為例,其采用編織方式將碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合到一起,重點(diǎn)突出了纖維與纖維間的整體性,加強(qiáng)了整體剪切強(qiáng)度、抗沖擊損傷特性。使用三維編織技術(shù)進(jìn)行材料加工,在整個(gè)加工過程中,對于纖維的損傷都是極小的,甚至沒有損傷,材料的整體性得到很好保護(hù),而整體性的增強(qiáng),也會進(jìn)一步提升材料的剛度和強(qiáng)度。張廣成等[10]發(fā)現(xiàn),在利用碳纖維制備復(fù)合材料時(shí),纖維都是按照同一方向排列,如編制泳衣需要利用攜紗器使碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在事先設(shè)定好的軌跡上正常運(yùn)行,形成交叉結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),交織面夾緊后形成的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的形態(tài)好、結(jié)構(gòu)緊密、抗阻力能力強(qiáng)。為了確保碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力特性,一定要反復(fù)檢查,分析攜紗器沿運(yùn)動軌跡所在平面的運(yùn)動方式是否為規(guī)律運(yùn)動方式,只有確保攜紗器的運(yùn)動方式為規(guī)律運(yùn)動方式,才能保證纖維束或紗線的運(yùn)動是規(guī)律的運(yùn)動方式,纖維形成的結(jié)構(gòu)才能是緊密性較強(qiáng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        在對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料研究的過程中還應(yīng)用了拉曼光譜效應(yīng),由于復(fù)合材料中增強(qiáng)材料和基體材料的熱膨脹系數(shù)不同,所以基體和增強(qiáng)體在膨脹或收縮時(shí)會出現(xiàn)失配,復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力。黃德欣等[11]研究表明,使用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料設(shè)計(jì)泳衣時(shí),會選用偶聯(lián)劑和植物纖維對復(fù)合材料進(jìn)行處理,提高界面的黏合性,同時(shí)利用鋁酸酯偶聯(lián)劑來增強(qiáng)纖維與樹脂的相容性,確保復(fù)合材料中拉曼特征峰向高波數(shù)發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象,從而增強(qiáng)碳纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合能力。

        劉靜等[12]在分析碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料特性時(shí)發(fā)現(xiàn),選取的纖維點(diǎn)會對分析結(jié)果有很大影響。從圖1可以看出,雖然a點(diǎn)觀察起來十分容易,但a點(diǎn)處樹脂已經(jīng)被打磨得很薄,所有纖維都直接暴露在外面,如果選取這一點(diǎn)作為觀察點(diǎn),得到的結(jié)果十分不準(zhǔn)確;b點(diǎn)處纖維埋在樹脂下,必須通過激光打透纖維,將打透的纖維返回給探針,才能得到真實(shí)的應(yīng)力結(jié)果;c點(diǎn)處纖維埋在很厚的樹脂下,周圍含有大量環(huán)氧樹脂,會直接影響測試的特征圖譜。

        圖1 拉曼光譜儀觀察下的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料照片(×1 000)Fig.1 Photo of carbon fiber reinforced epoxy resin under observation of Raman spectrometer

        紀(jì)朝輝等[13]發(fā)現(xiàn),拉曼光譜的偏移轉(zhuǎn)折點(diǎn)將改變碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的滲水狀態(tài),說明不同的觀察點(diǎn)將影響復(fù)合材料整體的抗阻力特性結(jié)果。

        姜磊等[14]研究了壓強(qiáng)與碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料位移的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著壓強(qiáng)的增加,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的位移變動逐漸增加,應(yīng)變力逐漸減少,說明碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力特性與壓強(qiáng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,需控制壓強(qiáng)避免無關(guān)因素對實(shí)驗(yàn)的影響。姜磊等[14]還發(fā)現(xiàn),碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的特征位移量影響復(fù)合材料抗阻力狀態(tài),發(fā)生偏移程度越大則證明其抗阻力性能越好。

        1.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸濕機(jī)理

        應(yīng)用吸濕機(jī)理可以很好地增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力特性。鄒在平等[15]發(fā)現(xiàn),碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有很強(qiáng)的吸濕能力,當(dāng)水分子進(jìn)入復(fù)合材料后,會在樹脂基體中迅速擴(kuò)散,借助復(fù)合材料纖維與基體表面毛細(xì)作用聚積在泳衣空隙、微裂紋,通過水體的作用增加基體大分子的間距,提升剛性基團(tuán)的活性,當(dāng)基體出現(xiàn)溶脹時(shí),增塑會更容易。當(dāng)水進(jìn)入復(fù)合材料后,在基體的吸濕性作用下會迅速擴(kuò)散,由于內(nèi)外滲透壓作用,基體的內(nèi)部就會出現(xiàn)微小的裂紋,基體自身的形態(tài)也會發(fā)生變化,吸濕能力更強(qiáng)。當(dāng)裂紋擴(kuò)散后,基體就會破裂,材料可能遭到永久性破壞。在初期階段,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸濕能力會隨著時(shí)間的增加而不斷增加,復(fù)合材料的吸濕能力與時(shí)間呈線性關(guān)系,擴(kuò)散方式為Fick擴(kuò)散。根據(jù)Fick擴(kuò)散理論,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸濕速率與吸濕時(shí)間的關(guān)系滿足式(1)[16]。

        式中:G代表碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂吸濕速率,mL/s;M∞代表飽和條件下的吸濕量,mL;D代表擴(kuò)散系數(shù);t代表吸水時(shí)間,s;Mt代表初始吸濕量,mL;Mi代表平均吸濕量,mL;j代表水分含量,mL;h代表時(shí)間變化差,s;Π代表材料適應(yīng)程度,%。

        隨著吸濕時(shí)間的增加,吸濕進(jìn)入了后期階段,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣雖然也能吸水,但吸水速率比較緩慢,吸水量也越來越平衡,這一時(shí)刻的吸濕行為已經(jīng)滿足Fick理論,這一時(shí)刻點(diǎn)被稱為吸濕點(diǎn),當(dāng)過了這個(gè)吸濕點(diǎn),水分進(jìn)入復(fù)合材料的方式不再是純濃度梯度擴(kuò)散方式,而是流動方式,主要沿著缺陷和毛細(xì)部分,吸濕過程的表達(dá)式見式(2)。

        式中:c為介質(zhì)常數(shù);m代表總吸濕量,mL;mm表示吸收點(diǎn)的總吸收量,mL。

        譚翔飛等[17]發(fā)現(xiàn),碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材質(zhì)泳衣在游泳初期的吸濕質(zhì)量滿足Fick定律,增加的質(zhì)量與時(shí)間呈線性關(guān)系。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料吸濕40 h時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài),此時(shí)復(fù)合材料無法再吸收水分,降低了其所受到的水流沖擊程度,進(jìn)而增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗阻力能力。

        2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣在游泳過程中的抗阻力特性

        在自然環(huán)境下,使用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制成的產(chǎn)品會受到濕熱因素影響。趙玉芬等[18]研究發(fā)現(xiàn),在對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣進(jìn)行游泳實(shí)驗(yàn)時(shí),纖維由于受到潮濕的水汽影響,產(chǎn)生不同的內(nèi)應(yīng)力,會出現(xiàn)溶脹、水解、變形、微結(jié)構(gòu)變化等現(xiàn)象。目前,對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣在抗阻力特性游泳實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的研究很少,主要是因?yàn)樵谘芯窟^程存在兩個(gè)難點(diǎn):(1)三維編織復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尤其是在水分浸泡后,被浸濕的纖維難以測定;(2)實(shí)驗(yàn)泳池內(nèi)的水分將對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造的泳衣造成一定的破壞,有可能會影響阻力特性分析的精準(zhǔn)性。為更好地分析碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在實(shí)驗(yàn)泳池中的抗阻力特性,設(shè)計(jì)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制作泳衣性能對比實(shí)驗(yàn)。選擇3名男子一級游泳運(yùn)動員,在5 m×40 m的游泳池中游泳,運(yùn)動員同時(shí)采用蝶泳、仰泳、蛙泳等方式進(jìn)行兩次游泳,兩次測試相隔1 d。第一次游泳時(shí),運(yùn)動員穿碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂型泳衣,第二次穿普通泳衣,測試時(shí)間為下午兩點(diǎn)。為了使測量更加合理,設(shè)置擁有大、中、小三種口袋的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂型泳衣。由于大袋中含有的負(fù)荷很重,運(yùn)動員在游泳時(shí)明顯感到吃力,當(dāng)運(yùn)動員身穿碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣時(shí),其受到的阻力較普通泳衣時(shí)減少了20%~30%,運(yùn)動員的動作連續(xù)性得以增強(qiáng),做連貫動作更加容易。中袋負(fù)荷處于中等狀態(tài),當(dāng)運(yùn)動員身穿碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣時(shí),運(yùn)動員受到的阻力較普通泳衣時(shí)減少了17%~25%,運(yùn)動員動作連貫性很好,可以很好地適應(yīng)大數(shù)量訓(xùn)練。小袋負(fù)荷較輕,當(dāng)運(yùn)動員身穿碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料泳衣時(shí),運(yùn)動員受到的阻力較普通泳衣時(shí)減少了8%~12%,運(yùn)動連貫性得以增強(qiáng),能夠適應(yīng)前期小規(guī)模訓(xùn)練。這表明,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料能夠減少泳衣在實(shí)驗(yàn)泳池內(nèi)所占總阻力的比值,所受阻力較小,驗(yàn)證了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗阻力能力較強(qiáng)的觀點(diǎn)。運(yùn)動員的成績測試結(jié)果表明,身著碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂型泳衣的運(yùn)動員耗時(shí)更少,運(yùn)動動作更加連貫,在水中受到的阻力更小,該結(jié)果表明,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的抗阻力能力更強(qiáng)[19]。

        3 結(jié)語

        分析了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造的泳衣在游泳過程中的抗阻力特性,利用拉曼光譜驗(yàn)證了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗阻力能力。被處理后的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉曼特征峰會向高波數(shù)發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象,從而提高自身的抗阻力能力。在吸濕過程中,由于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有較強(qiáng)的吸濕能力,降低了其所受到的水流沖擊程度,增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗阻力能力。

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