劉連學(xué)，管鋅樑，夏國(guó)良

（浙江恒石纖維基業(yè)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

隨著復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展，輕量化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)已成為先進(jìn)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)［1］?；谶@一理念就產(chǎn)生了纖維混雜復(fù)合材料，即由兩種或兩種以上纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，每種材料在性能上能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，類似的復(fù)合材料同時(shí)具有了多種纖維的特點(diǎn)［2］。玻璃纖維-碳纖維混雜復(fù)合材料成為新興的強(qiáng)韌性結(jié)構(gòu)材料，目前應(yīng)用在風(fēng)電葉片、橋梁加固、壓縮天然氣瓶（航天航空）及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等宇航結(jié)構(gòu)件，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高模量、高韌性、低造價(jià)、低質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)［3］。碳纖維-玻璃纖維拉擠板（簡(jiǎn)稱“碳玻拉擠板”）是一種由玻璃纖維、碳纖維和樹脂采用拉擠工藝制作而成的三元復(fù)合材料。對(duì)于玻璃纖維拉擠板可采用ISO1172：1997《紡織玻璃纖維增強(qiáng)塑料，預(yù)浸料，模塑料和層壓塑料 紡織玻璃纖維和礦物質(zhì)填料含量的測(cè)定》［4］中的煅燒法來(lái)測(cè)定其中纖維的體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但是由于碳纖維是可燃燒材料，在碳玻拉擠板中不適用。而對(duì)于碳纖維拉擠板可使用GB/T3385-2005《碳纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量測(cè)定方法》［5］（消解法）來(lái)測(cè)定其中的碳纖維體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于碳纖和玻纖的物理差異很大，單一使用任何一種方法難以測(cè)出3種成分各自的體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以目前一般采用燒失法與消解法（強(qiáng)硫酸洗）相結(jié)合的方法來(lái)測(cè)定［3］。這種方法需要使用強(qiáng)硫酸，存在危險(xiǎn)。所以需要一種更加安全、方便的測(cè)試方法?，F(xiàn)采用煅燒法、密度測(cè)量和復(fù)合材料混合定律三者相結(jié)合的方法來(lái)測(cè)量碳玻拉擠板的各組分體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。材料混合定律是建立在混合過之后材料不存在孔隙的基礎(chǔ)上的，但復(fù)合材料在制造過程中都會(huì)產(chǎn)生一定的孔隙，所以需要用孔隙率做修正使結(jié)果更準(zhǔn)確。密度測(cè)量和孔隙率測(cè)定是復(fù)合材料必做的基礎(chǔ)測(cè)試，采用這種方法可以在不增加工作的前提下避免使用濃硫酸可能帶來(lái)的危險(xiǎn)，安全性更好。

1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

1.1 原料

碳玻拉擠板：振石集團(tuán)華美新材料有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

電子天平：AL204型，梅特勒.托利多；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：S.C.101-1型，上海路達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司；

箱式電阻爐：SX2-4-10N型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

固體密度儀：GH-128E型，日本島津；

探針式溫度計(jì)：TP101型，TP；

顯微鏡：BX53MTRF-S型，VLYMPUS。

2 實(shí)驗(yàn)原理和方法

碳玻拉擠板是由碳纖維、玻璃纖維和樹脂基經(jīng)拉擠工藝制作而成，在成材的過程中具有一定的缺陷，即空隙的存在。本方法首先測(cè)試材料的孔隙率，這是一項(xiàng)后面所有計(jì)算都需要用到的修正因子。然后測(cè)試碳玻拉擠板試樣的密度，并使用煅燒法測(cè)定玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過玻璃纖維的密度和密度測(cè)試時(shí)得到的碳玻拉擠板試樣的體積，可計(jì)算得到玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)。碳玻拉擠板3種成分的理想（沒有孔隙存在）體積分?jǐn)?shù)之和為1。由復(fù)合材料混合定律可知，理想復(fù)合材料密度等于復(fù)合材料各組分的密度乘以各組分體積分?jǐn)?shù)之和。聯(lián)立方程組，便可求得碳纖維和樹脂各自的纖維體積分?jǐn)?shù)，通過計(jì)算也就可以得到3種成分各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 顯微鏡法測(cè)定拉擠板孔隙率

復(fù)合材料具有一定的孔隙率，并且這些孔隙率都來(lái)自使用的樹脂，在后面的計(jì)算需要用到孔隙率修正。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3365-2008《碳纖維增強(qiáng)塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗(yàn)方法》使用顯微鏡測(cè)定拉擠板的孔隙率［6］，測(cè)試多個(gè)取平均值，作為拉擠板的整體孔隙率?？紫堵士捎晒剑?）計(jì)算。

式中：

a ——碳玻拉擠板孔隙率，%；

V1——碳玻拉擠板中孔隙的體積，cm3；

V——碳玻拉擠板的體積，cm3。

3.2 拉擠板體積及密度的測(cè)定

取9塊25 mm×25 mm的碳玻拉擠板，并進(jìn)行編號(hào)。根據(jù)ISO1183-1：2019《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分 浸漬法、比重瓶法和滴定法》［7］中的浸漬法測(cè)定樣品密度。拉擠板的堆積體積可按照公式（4）計(jì)算。

式中：

F浮——碳玻拉擠板所受的浮力，N；

V——碳玻拉擠板體積，cm3；

ρ液——浸漬液的密度，g/cm3；

m1——碳玻拉擠板在空氣中的質(zhì)量，g；

m2——碳玻拉擠板在浸漬液中的質(zhì)量，g；

g——重力加速度，N/s2。

由于碳玻拉擠板中含有一定的孔隙，故其結(jié)果需要按孔隙率進(jìn)行修正。

拉擠板的密度可按照公式（5）計(jì)算。

式中：

m1——碳玻拉擠板在空氣中的質(zhì)量，g；

V——碳玻拉擠板體積，cm3；

ρ——碳玻拉擠板的密度，g/cm3。

同理，由于碳玻拉擠板中含有一定的孔隙，故其結(jié)果需要按孔隙率進(jìn)行修正。

3.3 煅燒法測(cè)定

將測(cè)試完密度的樣塊，根據(jù)ISO1172：1997《紡織玻璃纖維增強(qiáng)塑料，預(yù)浸料，模塑料和層壓塑料 紡織玻璃纖維和礦物質(zhì)填料含量的測(cè)定》［4］中的煅燒法測(cè)定碳玻拉擠板中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體可按照公式（6）計(jì)算：

式中：

FWFG——碳玻拉擠板中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

m3——坩堝質(zhì)量，g；

m4——坩堝加碳玻拉擠板的質(zhì)量，g；

m5——煅燒后坩堝加碳玻拉擠板的質(zhì)量，g。

玻纖的體積分?jǐn)?shù)可按公式（7）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

FVFG——碳玻拉擠板中玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)，%；

ρG——玻璃纖維的密度，g/cm3。

3.4 碳玻拉擠板中碳纖維和樹脂體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算

根據(jù)復(fù)合材料混合定律，復(fù)合材料的密度等于等組分體積分?jǐn)?shù)與密度之積的和［8］。

在本次實(shí)驗(yàn)樣品為三元復(fù)合材料碳玻拉擠板可將上式變形為公式（8），其中已由煅燒法測(cè)試得出，各成分密度可由生產(chǎn)廠家給出。3種成分的體積分?jǐn)?shù)相加等于100%，由于孔隙率的存在，三者實(shí)際相加應(yīng)小于100%，如公式（9）。聯(lián)立公式（8）和公式（9），計(jì)算得出碳纖維體積分?jǐn)?shù)和樹脂體積分?jǐn)?shù)。

式中：

FVFC——碳玻拉擠板中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)，%；

FVFR——碳玻拉擠板中樹脂的體積分?jǐn)?shù)，%；

ρ0——碳玻拉擠板修正后的密度，g/cm3；

ρC——碳纖維的密度，g/cm3；

ρR——樹脂固化后的密度，g/cm3。

碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按公式（10）計(jì)算：

式中：

FVFC——碳玻拉擠板中碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

同理，樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按公式（11）計(jì)算：

式中：

FVFR——碳玻拉擠板中碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）為了驗(yàn)證煅燒法、密度測(cè)試和孔隙率測(cè)試相結(jié)合測(cè)試碳玻拉擠板纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的可行性。本實(shí)驗(yàn)首先采用6塊20 mm×20 mm×5 mm的碳玻拉擠板按GB/T3365-2008方法測(cè)試碳玻拉擠板孔隙率，以平均值作為碳玻拉擠板的整體孔隙率，結(jié)果如表1、圖1所示。

表1 碳玻拉擠板的孔隙率

圖1 孔隙率測(cè)試

（2）在同一試樣上另取9塊25 mm×25 mm× 5 mm的拉擠板，按ISO1183-1：2019的浸漬法測(cè)定試樣的密度，其結(jié)果如表2所示。再將測(cè)試完密度的試樣依ISO1172：1996的煅燒法，測(cè)定拉擠板中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表3所示。

表2 碳玻拉擠板的密度

表3 碳玻拉擠板中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)

（3）由以上試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)公式聯(lián)立方程組即可計(jì)算得出碳玻拉擠板中碳纖維和樹脂3個(gè)組成成分各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果如表4所示。

表4 碳玻拉擠板中碳纖維和樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)

（4）由表3和表4可見，通過這種方法測(cè)定的碳玻拉擠板的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)結(jié)果穩(wěn)定，具有可重復(fù)性。

（5）將計(jì)算得到的碳玻拉擠板中的玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取平均值，與理論值對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 碳玻拉擠板3種成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與理論值對(duì)比表

（6）由表5可見，測(cè)試值與理論值相對(duì)誤差很小。這說(shuō)明采用煅燒法與密度測(cè)試、混合定律相結(jié)合，以孔隙率作修正，求得碳玻拉擠板纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的方法是可行的。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用煅燒法與密度測(cè)試、混合定律相結(jié)合，以孔隙率作修正，求得碳玻拉擠板纖維含量的方法是可行的。

（2）本方法建立在ISO1183-1:2019、ISO1172:1996和混合定律的基礎(chǔ)上聯(lián)立方程綜合分析，并用 GB/T3365-2008方法測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行修正。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在試驗(yàn)原理上是可行的，但是當(dāng)碳纖維密度與樹脂密度相等時(shí)本方法不適用。