路文濤，楊雪瑩

(陜西省藥品和疫苗檢查中心，陜西 西安 710075)

現(xiàn)代化妝品車間對(duì)建筑材料的使用要求，已經(jīng)從傳統(tǒng)的木質(zhì)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式向需要局部采用碳纖維復(fù)合材料的方向發(fā)展。這主要是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料作為一種碳纖維與樹脂、金屬等基體結(jié)合而形成結(jié)構(gòu)材料，在比強(qiáng)度、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]，其密度約為鋼的五分之一，且能夠耐受2 000 ℃ 以上的高溫，具有出色的抗熱沖擊性等，能夠滿足化妝品車間對(duì)建筑材料耐高溫、高強(qiáng)度和抗熱沖擊等性能要求。目前對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究報(bào)道較多，大多數(shù)主要集中在碳纖維表面改性工藝(預(yù)氧化)、熱壓成型工藝(溫度、壓力等)等方面[2-3]，對(duì)碳纖維的制備工藝參數(shù)(鋪層角度、鋪層方式)和纖維含量對(duì)碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能影響方面的報(bào)道較少，具體作用規(guī)律也不清楚[4-6]。本文選取化妝品車間用碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料為研究對(duì)象，考察制備工藝參數(shù)和纖維含量對(duì)碳纖維復(fù)合材料室溫拉伸性能和室溫彎曲性能的影響，可為高性能碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)及其在化妝品車間等方面的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純乙醇、分析純丙酮和分析純過氧化氫；威海光威復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的T700碳纖維(CF)；上海臻威復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的聚酰胺纖維-1(PF)和M-150聚酰胺共聚物(coPA)。

試驗(yàn)設(shè)備包括啟星電子科技有限公司生產(chǎn)的R450型熱壓機(jī)；上海龍躍儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LONGYUE恒溫干燥箱和KQ5200E超聲波清洗機(jī)；美國INSTRON 5565萬能試驗(yàn)機(jī)；日本電子公司生產(chǎn)的JSM-6400掃描電子顯微鏡。

1.2 復(fù)合材料制備

(1)不同體積分?jǐn)?shù)碳纖維復(fù)合材料。將碳纖維在丙酮中浸泡2 d后，采用去離子水清洗至溶液pH值為7左右；之后置于溫度98 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h后取出，并浸泡在掛氧化氫溶液中超聲清洗0.5 h。然后，去離子水沖洗和恒溫干燥處理后，將不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維與聚酰胺纖維-1、聚酰胺共聚物混合后放入模具中進(jìn)行175 ℃/6 MPa的熱壓處理，恒溫、恒壓保持12 min后得到不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料；

(2)鋪層方式。將碳纖維在丙酮中浸泡2 d后，采用去離子水清洗至溶液pH值為7左右，之后置于溫度98 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h后取出，并浸泡在掛氧化氫溶液中超聲清洗0.5 h。然后，去離子水沖洗和恒溫干燥處理后，取出碳纖維和聚酰胺纖維-1按照體積分?jǐn)?shù)分別為10%和10%進(jìn)行鋪層，鋪層方案如表1所示。最后放入模具中進(jìn)行175 ℃/6 MPa的熱壓處理，恒溫恒壓保持12 min后得到不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料。

表1 碳纖維復(fù)合材料的鋪層方案Tab.1 Laying scheme of carbon fiber composites

(3)鋪層角度。將碳纖維在丙酮中浸泡2 d，采用去離子水清洗至溶液pH值為7左右，之后置于溫度98 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h后取出，并浸泡在掛氧化氫溶液中超聲清洗0.5 h；然后，去離子水沖洗和恒溫干燥處理后，取出碳纖維和聚酰胺纖維-1按照體積分?jǐn)?shù)分別為10%和10%進(jìn)行鋪層，鋪層角度方式如表2所示。最后放入模具中進(jìn)行175 ℃/6 MPa的熱壓處理，恒溫、恒壓保持12 min后得到不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料。

表2 碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度Tab.2 Ply angle and mode of carbon fiber composites

1.3 測(cè)試方法

采用JSM-6400掃描電子顯微鏡對(duì)碳纖維復(fù)合材料的斷口形貌進(jìn)行觀察；室溫拉伸性能測(cè)試在INSTRON 5565萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3345《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能測(cè)試方法》，測(cè)試速率為2 mm/min；室溫三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試[7]在INSTRON 5565萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1449《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試速率為2 mm/min，跨度為30 mm，樣品寬度為10 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維體積分?jǐn)?shù)

2.1.1不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫拉伸性能的影響

圖1為不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫拉伸性能。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (b)拉伸性能圖1 不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫拉伸性能Fig.1 Stress-strain curve and room temperature tensile properties of carbon fiber composites with different fiber volume fraction

當(dāng)聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為9.32、332 MPa；當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為5%和15%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為9.08、348 MPa；當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為10%和10%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為11.27、452 MPa；當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為15%和5%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為9.11、352 MPa；當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)分別為20%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為9.12、323 MPa。由此可見，當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)為20%不變時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著碳纖維含量增加而先增加后減小，在碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)都為10%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有較好的拉伸性能。

2.1.2不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料拉伸斷口顯微形貌

圖2為不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的拉伸斷口附近顯微形貌。

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的拉伸斷口附近顯微形貌Fig.2 Microstructure near tensile fracture of carbon fiber composites with different fiber volume fraction

當(dāng)聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料中多數(shù)聚酰胺纖維-1已經(jīng)拉斷，表面粗糙度較大，局部還有磨損形態(tài)；這是因?yàn)榫埘０防w維-1和基體的界面相容性較好，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好粘合的緣故[8]。當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為5%和15%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料中多數(shù)聚酰胺纖維-1也都拉斷，且斷口附近形態(tài)與聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)相似；當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)均為10%，碳纖維、聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為15%和5%以及碳纖維體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料斷口附近的形態(tài)都較為相似；表明在熱壓溫度和熱壓壓強(qiáng)下，不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料都實(shí)現(xiàn)了良好粘合。但隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，碳纖維復(fù)合材料中被拉斷和脫粘的碳纖維數(shù)量存在一定差異，這主要與碳纖維體積分?jǐn)?shù)不同造成熱壓過程中的浸潤和界面性能存在差異有關(guān)[9-11]。整體而言，當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為10%和10%時(shí)，復(fù)合材料的斷口附近縮頸現(xiàn)象較為顯著，纖維拔出較多，此時(shí)界面性能較好；這也與圖1的不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果相吻合。

2.1.3不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能

圖3為不同纖維體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)彎曲性能圖3 不同體積分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能Fig.3 Stress-strain curves and room temperature bending properties of carbon fiber composites with different fiber volume fractions

當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為5%和15%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為40.23、1.28 GPa；當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為10%和10%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為67.1、2.24 MPa；當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別為15%和5%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為50.2、1.68 MPa；當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)分別為20%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為53. 8、1.52 MPa。由此可見，當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)為20%不變時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量隨著碳纖維含量增加而先增加后減小，在碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)都為10%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有較好的彎曲性能。

2.2 鋪層方式

圖4為不同鋪層方式的碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)彎曲性能圖4 不同鋪層方式碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能Fig.4 Stress-strain curves (a) and room temperature bending properties (b) of carbon fiber composites under different ply modes

對(duì)于CF-PF/coPA-1復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為36.7 MPa和1.21 GPa；對(duì)于CF-PF/coPA-2復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為51.3 MPa和1.78 GPa；對(duì)于CF-PF/coPA-3復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為48.2 MPa和1.27 GPa；對(duì)于CF-PF/coPA-4復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為66.8 MPa和2.22 GPa。由此可見，CF-PF/coPA-4復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最大，其次為CF-PF/coPA-2復(fù)合材料；而CF-PF/coPA-1復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最小[12]。

2.3 鋪層角度

2.3.1不同鋪層角度下碳纖維復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸性能

圖5為不同鋪層角度下碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫拉伸性能。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)拉伸性能圖5 不同鋪層角度下碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫拉伸性能Fig.5 Stress-strain curves and room temperature tensile properties of carbon fiber composites under different ply angles

對(duì)于CF-PF(0°/0°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為268 MPa和8.2 GPa；對(duì)于CF-PF(0°/45°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為156 MPa和4.1 GPa；對(duì)于CF-PF(0°/90°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為128 MPa和3.4 GPa；對(duì)于CF-PF(45°/45°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為81 MPa和2.2 GPa?？梢?，CF-PF(0°/0°)/coPA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最大，其次為CF-PF(0°/45°)/coPA復(fù)合材料，而CF-PF(45°/45°)/coPA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最小。究其原因，這主要是因?yàn)檠刂祭w維方向進(jìn)行鋪層時(shí)碳纖維自身強(qiáng)度發(fā)揮重要作用，而隨著鋪層角度偏移，碳纖維需要克服與基體之間的界面作用[13]，并在一定程度上使得界面強(qiáng)度損失，而實(shí)際拉伸過程中主要對(duì)強(qiáng)度起決定作用的是碳纖維[14]，因此，因?yàn)檠刂祭w維方向進(jìn)行鋪層的CF-PF(0°/0°)/coPA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最大。

2.3.2不同鋪層角度下碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能

圖6為不同鋪層角度下碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)彎曲性能圖6 不同鋪層角度下碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和室溫彎曲性能Fig.6 Stress-strain curves and room temperature bending properties of carbon fiber composites at different ply angles

對(duì)于CF-PF(0°/0°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為67.8 MPa和2.22 GPa；對(duì)于CF-PF(0°/45°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為42.8 MPa和1.18 GPa；對(duì)于CF-PF(0°/90°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為42.3 MPa和1.12 GPa；對(duì)于CF-PF(45°/45°)/coPA復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為28.4 MPa和0.69 GPa。由此可見，CF-PF(0°/0°)/coPA復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最大，其次為CF-PF(0°/45°)/coPA復(fù)合材料；而CF-PF(45°/45°)/coPA復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最小。究其原因，這主要是因沿著碳纖維方向進(jìn)行鋪層時(shí)碳纖維自身強(qiáng)度發(fā)揮重要作用，隨著鋪層角度偏移，碳纖維需要克服與基體之間的界面作用，并在一定程度上使得界面強(qiáng)度損失有關(guān)[15]。結(jié)合圖5可知，沿著碳纖維方向進(jìn)行鋪層的CF-PF(0°/0°)/coPA復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最大。

3 結(jié)語

(1)當(dāng)碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)為20%不變時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著碳纖維含量增加而先增加后減小。在碳纖維和聚酰胺纖維-1體積分?jǐn)?shù)分別都為10%時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有較好的拉伸性能；

(2)CF-PF/coPA-4復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最大，其次為CF-PF/coPA-2復(fù)合材料；而CF-PF/coPA-1復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最小。在第1層和第4層為聚酰胺纖維、第2層和第3層為碳纖維時(shí)具有最好的彎曲性能。