趙 晶

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710018）

碳纖維復(fù)合材料是一種同時(shí)具有碳材料固有本性又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性的新材料，與傳統(tǒng)碳素材料相比，碳纖維復(fù)合材料由于具有柔軟、可加工成各種織物，以及具有耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性[1]，而被廣泛應(yīng)用于在城市景觀建筑、鐵道交通和航空航天等領(lǐng)域。在應(yīng)用于城市景觀建筑時(shí)，碳纖維復(fù)合材料除需要具有良好的可加工性外，還需要具有足夠的強(qiáng)度和韌性以滿足多場(chǎng)合的應(yīng)用需求[2]，但是目前碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的加工成型較為困難，容易由于成型工藝控制不好而影響最終成型質(zhì)量以及力學(xué)性能，究其原因這主要與成型過(guò)程中熔融熱塑性樹(shù)脂粘度難以把握以及碳纖維織物間隙控制不當(dāng)?shù)扔嘘P(guān)[3-4]，而這方面的研究報(bào)道尚未徹底解決這些矛盾[5-6]。為了開(kāi)發(fā)出適應(yīng)于景觀建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料，在基于成型工藝可控和良好強(qiáng)度和韌性的要求上，開(kāi)展了成型工藝參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料形貌和力學(xué)性能影響方面的研究，結(jié)果將有助于新型碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)及在景觀建筑上的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料：T700SC碳纖維（單絲根數(shù)12000、密度1.79g/cm3、纖維直徑7μm、斷后伸長(zhǎng)率2.2%、拉伸強(qiáng)度5.0GPa）；聚碳酸酯（密度1199kg/cm3、拉伸強(qiáng)度66MPa、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度154℃、熔化起始溫度219℃）。

采用模壓成型法制備城市景觀設(shè)計(jì)用碳纖維復(fù)合材料，成型工藝示意圖如圖1所示。在模壓成型前，需要將碳纖維原料和聚碳酸酯分別進(jìn)行剪裁，然后置于高純氬氣保護(hù)的真空電阻爐中進(jìn)行380℃/2h高溫除漿并空冷至室溫，將經(jīng)過(guò)除漿的碳纖維編制成景觀設(shè)計(jì)用織物（絲束間距0.5mm），在PB-240型平板硫化機(jī)上進(jìn)行模壓成型[7]，具體成型工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 碳纖維復(fù)合材料的成型參數(shù)Table 1 Molding parameters of carbon fiber composites

圖1 碳纖維復(fù)合材料的成型工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of forming process of carbon fiber composite

對(duì)成型碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行宏觀形貌拍攝；在成形碳纖維試樣上截取0°和45°拉伸試樣（圖2），按照ASTM D3039《聚合物基質(zhì)復(fù)合材料拉伸性能的試驗(yàn)方法》，在MTS-809型液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試；按照拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化處理，將不同成型工藝下的碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為碳纖維含量為50%的情況，標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度Rm可用式（1）表示[8]：

圖2 碳纖維復(fù)合材料的取樣示意圖Fig. 2 Sampling diagram of carbon fiber composite

式（1）中，Rr為碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際強(qiáng)度（MPa），V為碳纖維復(fù)合材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)。室溫沖擊性能測(cè)試按照ASTM D7136在XJJWD-50型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖3為不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的宏觀形貌，其中，成型壓力為6MPa、成形時(shí)間為10min。對(duì)比分析可知，模壓溫度為250℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的聚攏性相對(duì)較差，而模壓溫度為220℃和240℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料都呈現(xiàn)棋盤(pán)狀，碳纖維較為緊湊，且模壓溫度為240℃時(shí)的直線度最好。

圖3 不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的宏觀形貌Fig. 3 Macromorphology of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖4為模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料的影響，其中，模壓溫度為240℃、成形時(shí)間為10min。對(duì)比分析可知，當(dāng)模壓壓力為1MPa和6MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料都體現(xiàn)出較好的聚攏性，平直度較好，而模壓壓力上升至9MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的聚攏性變差，表現(xiàn)在宏觀形貌上則呈現(xiàn)出沿著編織方向的白色線條。

圖4 模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料形貌的影響Fig. 4 Effect of molding pressure on morphology of carbon fiber composites

圖5為模壓時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料的影響，其中，模壓溫度為240℃、成型壓力為6MPa。對(duì)比分析可知，當(dāng)模壓時(shí)間為7min和8.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的成型性相對(duì)較好，碳纖維復(fù)合材料表面的碳纖維較為緊湊，而模壓時(shí)間上升為11.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的聚攏性變差，表面可見(jiàn)沿編織方向的白色線條。

圖5 模壓時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料形貌的影響Fig. 5 Effect of molding time on morphology of carbon fiber composites

從圖3～圖5的不同模壓工藝參數(shù)下碳纖維復(fù)合材料的形貌可知，模壓壓力過(guò)大、模壓溫度過(guò)高或者模壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都不利于碳纖維復(fù)合材料的成型，在模壓溫度為240℃、成型壓力為6MPa、模壓時(shí)間為8.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有較好的成型質(zhì)量。

2.2 拉伸性能和沖擊性能

圖6為不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能。隨著模壓溫度的升高，圖6（a）和圖6（b）中的碳纖維復(fù)合材料實(shí)際抗拉強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都先增加后減小，實(shí)際抗拉強(qiáng)度最大值在模壓溫度240℃時(shí)取得。這主要是因?yàn)殡S著模壓溫度從220℃上升至250℃，熔融基體樹(shù)脂粘度會(huì)逐漸降低，碳纖維的浸潤(rùn)效果提升，界面性能得到改善，拉伸強(qiáng)度得到提升，但是溫度過(guò)高，粘度的進(jìn)一步降低會(huì)影響流動(dòng)性造成平紋結(jié)構(gòu)破壞[9]，拉伸強(qiáng)度反而會(huì)減小。

圖6 不同模壓溫度下碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖7為不同模壓溫度碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能測(cè)試結(jié)果。與拉伸強(qiáng)度隨著模壓溫度的變化趨勢(shì)一致的是，碳纖維復(fù)合材料的沖擊功和峰值力也隨著模壓溫度升高而先增大后減小，沖擊功最大值在模壓溫度240℃時(shí)取得。模壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料沖擊性能的影響與溫度變化帶來(lái)熔融基體樹(shù)脂粘度改變有關(guān)，適宜的模壓溫度有助于復(fù)合材料成型[10]，而溫度過(guò)高會(huì)破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)而降低沖擊性能。

圖7 不同模壓溫度碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能Fig.7 Impact properties of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖8為不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能，取樣為0°方向。碳纖維復(fù)合材料試樣的實(shí)際抗拉強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都隨著模壓壓力升高而先增加后減小，最大值在模壓壓力為3MPa時(shí)取得。這主要是因?yàn)殡S著模壓壓力的升高，碳纖維復(fù)合材料中的絲束間隙會(huì)發(fā)生改變而影響整體結(jié)構(gòu)，在較小的壓力下，碳纖維復(fù)合材料絲束間間隙相對(duì)較小，承受拉伸載荷的作用較強(qiáng)而具有較大的拉伸強(qiáng)度[11]，而模壓壓力過(guò)大會(huì)增大間隙而減小拉伸強(qiáng)度。

圖8 不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of carbon fiber composites under different molding pressures

圖9為不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的室溫沖擊性能測(cè)試結(jié)果。沖擊性能隨著模壓壓力的變化趨勢(shì)與拉伸性能相似，即表現(xiàn)為沖擊功和峰值力隨著模壓壓力增加而先增大后減小，最大值在6MPa時(shí)取得。模壓壓力過(guò)小不足以使得碳纖維與熔融基體產(chǎn)生協(xié)同作用，沖擊過(guò)程中的應(yīng)力無(wú)法傳遞至碳纖維上造成沖擊性能較低[12]，而當(dāng)模壓壓力為6MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的成型質(zhì)量較好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊湊，沖擊性能最佳；如果成型壓力過(guò)大，碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部間隙過(guò)大而影響整體結(jié)構(gòu)[13]，沖擊性能反而減小。

圖9 不同模壓壓力碳纖維復(fù)合材料的室溫沖擊性能Fig. 9 Room temperature impact properties of carbon fiber composites with different molding pressures

圖10為不同模壓時(shí)間碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果，模壓溫度為240℃、模壓壓力為6MPa。碳纖維復(fù)合材料試樣的抗拉強(qiáng)度隨著模壓時(shí)間延長(zhǎng)而先增大后減小，最大值在模壓時(shí)間10min時(shí)取得。這主要是因?yàn)槟撼尚瓦^(guò)程中碳纖維與熔融基體之間的浸潤(rùn)需要一定的時(shí)間，如果成型時(shí)間過(guò)短，浸潤(rùn)不充分會(huì)造成成型質(zhì)量較差而影響拉伸強(qiáng)度；但是如果成型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生溢料現(xiàn)象而對(duì)碳纖維絲束產(chǎn)生沖散作用，影響整體質(zhì)量而降低拉伸強(qiáng)度。因此，碳纖維復(fù)合材料適宜的模壓時(shí)間為10min。此外，無(wú)論是0°還是45°碳纖維復(fù)合材料試樣，拉伸強(qiáng)度隨著模壓時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯各向異性。

圖10 不同模壓時(shí)間碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Test results of tensile properties of carbon fiber composites with different molding time

3 結(jié)論

（1）模壓溫度為250℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的聚攏性相對(duì)較差，而模壓溫度為220℃和240℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料都呈現(xiàn)棋盤(pán)狀，碳纖維較為緊湊，且模壓溫度為240℃時(shí)的直線度最好。當(dāng)模壓壓力為1MPa和6MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料都體現(xiàn)出較好的聚攏性，平直度較好。當(dāng)模壓時(shí)間為7min和8.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的成型性相對(duì)較好，碳纖維復(fù)合材料表面的碳纖維較為緊湊，而模壓時(shí)間上升為11.5min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的聚攏性變差。

（2）碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能會(huì)隨著模壓溫度升高或者模壓壓力增大而先增加后減小。碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著模壓溫度升高、模壓壓力增大或者模壓時(shí)間延長(zhǎng)而先增加后減小。

（3）適宜的成型工藝為：模壓溫度、模壓壓力和模壓時(shí)間分別為240℃、6MPa和10min。