任釗潁，喬亮，譚洪生，閆旭，申紅望，袁文麗，王士強

(山東理工大學材料科學與工程學院，山東淄博 255049)

隨著纖維增強復合材料的發(fā)展，熱塑性復合材料因其具有高強、高模、質輕和可重復加工性等優(yōu)點受到日益廣泛的關注[1–2]。近年來，人們愈加關注環(huán)境問題，熱塑性復合材料將在部分領域逐漸替代難以回收的熱固性復合材料[3–5]。但目前商品化的短纖維增強熱塑性復合材料在力學性能等方面仍存在不足，因此復合材料的應用范圍受到一定的限制。而連續(xù)碳纖維(CCF)增強復合材料的出現，可以使復合材料的性能得到大幅提高，拓寬了復合材料的應用范圍[6]。

聚對苯二甲酸乙二酯(PET)是一種結晶型高分子材料，因具有良好的耐熱性、抗蠕變性、耐疲勞性、耐摩擦與磨損性、電絕緣性及耐化學藥品性，而被廣泛用于合成纖維、薄膜、片材和瓶等制品的制備，覆蓋紡織、醫(yī)藥包裝和日用包裝等領域，但其結晶速率慢、加工成型周期長等問題限制了其在工程領域的應用[7–8]。

在纖維增強塑料方面，多采用玻璃纖維(GF)作為增強材料[8–12]，可大幅度提高改性塑料的力學性能[9]。有研究表明，將短切GF作為增強體，當其質量分數為30%時，PET復合材料性能最好，彎曲強度達到151.4 MPa，沖擊強度達到110.46 kJ/m2[10]。當以長GF為增強體，其質量分數在20%～50%范圍內，拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量隨GF含量的增加而提高[11]，而且復合材料力學性能的改善與界面形態(tài)緊密相關[12]。

為了進一步提高PET的力學性能，可采用碳纖維(CF)作為增強體對PET進行增強改性[13–15]，所制備的復合材料具有密度小、高韌性等特點，使其剪切強度和剪切彈性模量都有不同程度的提高[13]，表現出優(yōu)越的力學性能，并且可顯著提高復合材料的低頻儲能模量、損耗模量和黏度[15]，同時熱穩(wěn)定性、結晶速率也有提高。

目前，CCF被廣泛應用于復合材料中，具有高強度、高模量、質輕等優(yōu)點，相比于短纖維，長纖維具有更強的增強效果，并隨著浸漬技術的改善，可使纖維與樹脂更加緊密結合，進一步提高復合材料的各項力學性能[8]。目前，關于CCF增強PET復合材料的研究報道甚少，為此，筆者擬采用熔融浸漬的方法，以PET為基體，以CCF為增強材料，制備CCF增強PET預浸帶。對制備的預浸帶進行裁剪，按照0°，0°/90°，0°/90°編織(以下簡稱編織)三種不同預浸帶鋪放方式，經熱壓模塑制得層壓復合材料板材，研究預浸帶不同鋪放方式對復合材料板材力學性能、電導率和熱性能的影響。

1 實驗部分

1．1 主要原料

PET：BG80，寧波煜順塑化有限公司；

CCF：T700SC-12K，日本東麗株式會社；

抗氧劑1010、抗氧劑168：蘇州亮彩化工有限公司。

1．2 主要儀器及設備

單螺桿擠出機：RM-200A型，哈爾濱哈普電氣技術責任有限公司；

真空干燥箱：DZF-6021型，上海雙旭電子有限公司；

PLC-程序控制壓片機：BL-6170-B-507型，廣東寶輪精密儀器檢測有限公司；

萬能材料試驗機：INSTRON5969型，美國英斯特朗公司；

多功能沖擊試驗機：XJJUD-5.5J型，北京金盛鑫檢測儀器有限公司；

普通四探針電阻率測試儀：FT-330型，寧波瑞柯偉業(yè)儀器有限公司；

熱導率測定儀：TC3200型，西安夏溪電子科技有限公司。

1．3 復合材料制備

將PET置于真空干燥箱中烘干12 h除去水分，稱取一定量的PET、抗氧劑1010和168 (兩種抗氧劑的質量分數均為0.2%)，混合均勻。啟動單螺桿擠出機的升溫加熱程序開始加熱升溫，擠出機三段溫度分別為250，260，275℃，模具溫度為275℃。達到設定溫度后，加入混合均勻的物料，將熔融狀態(tài)的PET通過單螺桿擠出機進入浸漬模具(螺桿轉速為9 r/min)，同時，在牽引機的牽引下，CCF經過分散裝置均勻分散成平行單絲，在一定壓力下從浸漬模具中的熔融樹脂中通過，經拉擠完成樹脂浸漬纖維的過程，最后通過壓延機壓延冷卻制得預浸帶。預浸帶的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 PET/CCF復合材料預浸帶制備工藝流程圖

對預浸帶進行裁剪，裁剪的長度為20 cm，按照0°，0°/90°和編織三種不同鋪放方式鋪放預浸帶，共計12層。在壓板模具中涂上脫模劑，并覆蓋上聚酰亞胺膜，完成后將模具放入PLC-程序控制壓片機中，升溫到290℃后預熱5 min，在6 MPa下保溫10 min，以20℃/min的速度冷卻并保壓5 min，最后脫模制得PET/CCF復合材料板材，板材中CF質量分數為36%。

1．4 測試與表征

(1)彎曲強度測試。

采用萬能材料試驗機進行彎曲強度測試，其測試方法為三點彎曲，首先按照GB/T 3356–2014要求制備試樣，試樣厚度為2.00 mm，寬度為25.00 mm，跨厚比為32∶1。以10 mm/min的速度進行彎曲試驗，記錄數據，取5個有效數據的平均值，作為該組試樣的彎曲強度。

(2)缺口沖擊強度測試。

采用擺錘式沖擊試驗機進行缺口沖擊強度測試，按照GB/T 1843–2008要求制備試樣，從板材上切取試樣，試樣的寬度與板材原厚度相同，寬度為5 mm，缺口類型為A型，缺口底部半徑為0.25 mm。試樣安放方式為懸臂梁型，平穩(wěn)釋放擺錘，記錄數據，取5個有效數據的平均值，作為該組試樣的缺口沖擊強度。

(3)熱導率測試。

采用熱導率測定儀進行熱導率測試，按照GB/T 3139–2005要求制備試樣，將試樣放入熱導率測定儀中，并使探針接觸到試樣表面，開始試驗，等待試驗完成后取5個有效數據的平均值，作為該組試樣的熱導率。

(4)電導率測試。

采用普通四探針電阻率測試儀進行電導率測試。打開儀器，輸入待測試樣板材的厚度，然后試樣放在探針的下面，手動將探針按下，觀察顯示屏并做好數據記錄，取5個有效數據的平均值，作為該組試樣的電導率。

2 結果與討論

2．1 彎曲性能分析

圖2為0°，0°/90°和編織三種不同鋪放方式制備的復合材料板材的彎曲強度。由圖2可看出，單向0°鋪放方式制備的復合材料板材的彎曲強度最高，為1 080.09 MPa，0°/90°次之，為506.39 MPa，編織制備的復合材料板材最低，為345.53 MPa?？梢悦黠@看出，0°鋪放方式制備的板材彎曲強度明顯高于其它兩種方式的制備的板材強度。0°鋪放方式制備板材中的CCF方向都相同，在受力方向上纖維含量更高，具有更高的承載力[16]，而在0°/90°與編織兩種鋪放方式制備的板材中，CCF分散在兩個正交方向，承受載荷能力減小，彎曲強度也相應減小。0°/90°與編織這兩種鋪放方式相比，雖然兩者纖維在二維方向上分布及含量相同，但預浸帶在編織的過程中會形成一種“交叉”特殊結構，如圖3所示。纖維在此特殊結構部位中發(fā)生彎曲產生內應力，進而會影響復合材料板材的力學性能[17]，所以編織方式制備的板材彎曲強度最低。

圖2 不同鋪放方式制備的復合材料板材的彎曲強度

圖3 編織形成的交叉結構

2．2 缺口沖擊強度分析

圖4為不同鋪放方式下復合材料板材的缺口沖擊強度。由圖4可明顯看出，單向0°鋪放方式制備的復合材料板材缺口沖擊強度最高，為242.99 kJ/m2，而編織方式最低。結果表明，三種鋪放方式對缺口沖擊強度的影響與對彎曲強度的影響具有相似性。不同的鋪放方式導致在受力方向上纖維含量不同、承受載荷能力不同。0°鋪放方式在受力方向上纖維束數量多、承受載荷能力強，能夠更好地抵抗外力作用，而編織鋪放存在交叉接觸節(jié)點導致纖維處于不完全伸直狀態(tài)，進而使復合材料力學性能下降。

圖4 不同鋪放方式制備的復合材料板材的缺口沖擊強度

2．3 電導率分析

純PET為絕緣性材料，其電導率＜10-13S/cm，而CCF具有優(yōu)異的導電性能，這是因為其具有穩(wěn)定的六邊形平面結構及平面之間的離域電子云，六邊形碳環(huán)的分離與變形需要較高的能量，這在宏觀上提高了CF的強度，電子云中的自由電子使其成為良好的導體[18–19]。CCF作為增強材料與PET復合，制備的復合材料板材電導率較純PET提高了十二個數量級，但復合材料板材的電導率較純CCF降低了三個數量級，原因是樹脂與纖維之間存在界面電阻，并且纖維和樹脂自身的電阻制約了電子的運輸。將沿0°鋪放方向的電子傳輸定為平行于纖維方向，垂直于0°鋪放方向的定為垂直于纖維方向。

圖5為0°，0°/90°和編織三種不同鋪放方式制備的復合材料板材的電導率。由圖5比較可以看出，單向0°鋪放方式制備的復合材料板材在平行于纖維方向的電導率(0.44×10-3S/cm)明顯高于垂直于纖維方向的電導率(0.15×10-3S/cm)，這是因為，如圖6a所示，垂直于纖維方向傳輸電子時，纖維之間的樹脂為絕緣材料，縱向電阻增大，且此方向沒有導電路徑，電子的傳輸受到制約。

圖5 不同鋪放方式制備的復合材料板材的電導率

圖6 不同鋪放方式的電子傳輸示意圖

從圖5還可以看出，在平行纖維方向上，0°鋪放方式制備的復合材料板材的電導率大于0°/90°和編織兩種鋪放方式，這是因為0°鋪放方式制備的板材中，纖維分布更均勻，具有更強的各向異性，并且在平行纖維方向上0°鋪放方式的纖維束數量多，傳輸電子時具有更多的傳輸路徑，而0°/90°與編織鋪放方式制備的板材中，如圖6b所示，纖維分布在兩個不同方向上，減少了平行纖維方向的導電路徑，但同時也增加了垂直纖維方向上的導電路徑，所以兩者在垂直纖維方向上的電導率高于0°鋪放方式的板材，并且兩方向上板材纖維均勻分布，所以兩方向電導率近似相等。

2．4 熱導率分析

熱導率為導熱性能的量化，是反映材料導熱性能的重要參數之一，是材料的固有屬性之一[20–21]。圖7為0°，0°/90°和編織三種不同鋪放方式制備的復合材料板材的熱導率。純PET的熱導率很低，僅為0.2 W/(m·K)，而CCF是高碳含量材料，耐高溫且具有優(yōu)良的導熱性能，CCF在縱向上平行排列，從而在PET中形成導熱網絡結構，有利于熱量的傳遞。由圖7可以看出，0°鋪放方式制備的PET復合材料板材熱導率最高，為1.46 W/(m·K)，0°/90°與編織鋪放方式制備的板材熱導率相差不大，分別為1.41，1.39 W/(m·K)，較純PET分別提高了630%，605%，595%。0°鋪放方式制備的板材內部纖維分布均勻，相同方向上纖維含量高，形成的導熱網絡更加有序，能夠起到更好的傳熱作用。

圖7 不同鋪放方式制備的復合材料板材的熱導率

3 結論

(1)研究了預浸帶0°，0°/90°和編織三種不同鋪放方式對制備的復合材料板材力學性能影響，結果表明，由0°鋪放方式制備的復合材料板材彎曲強度和缺口沖擊強度最優(yōu)異，0°/90°次之，編織最低。其原因是，0°鋪放方式板材在受力方向上纖維含量更高，具有更高的承載力。

(2) 0°鋪放方式制備的復合材料板材在平行纖維方向上電導率最高，因為0°鋪放方式板材在此方向上纖維含量高，具有更多的電子傳輸路徑。但在垂直于纖維方向上的電導率最低，這是由于此方向纖維之間樹脂為絕緣材料，而由0°/90°與編織制備的板材在垂直纖維方向上有纖維分布，存在導電路徑，故這兩種板材在該方向的電導率高于0°鋪放方式制備的板材。

(3) 0°鋪放方式制備的復合材料板材熱導率最 高，為1.46 W/(m·K)，較 純PET提 高630%。0°/90°與編織制備的板材熱導率相差不大，0°鋪放方式制備的板材內部纖維分布均勻，形成的導熱網絡結構更加有序，能夠起到更好的傳熱作用。