喬 寧

(銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 銅川 727000)

碳纖維復(fù)合材料由于密度低、比強(qiáng)度高和優(yōu)良的耐腐蝕性能等而被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、國(guó)防工業(yè)、風(fēng)力發(fā)電、體育器械等領(lǐng)域[1]，尤其是隨著現(xiàn)代材料產(chǎn)業(yè)的快速升級(jí)和人們對(duì)物質(zhì)品質(zhì)要求的逐步提高，將碳纖維應(yīng)用于物質(zhì)生活的理念已逐步成形，并被越來(lái)越多的消費(fèi)者所認(rèn)可，典型表現(xiàn)為室內(nèi)設(shè)計(jì)中要考慮應(yīng)用高綜合性能的碳纖維復(fù)合材料。雖然現(xiàn)在制備碳纖維復(fù)合材料的工藝較多(真空熱壓罐工藝、層壓成型工藝、纏繞工藝、拉擠成型工藝等)[2]；這些工藝雖然也能制備出性能較高的碳纖維復(fù)合材料，但是同時(shí)存在設(shè)備精度要求高、工藝復(fù)雜和成本高等問(wèn)題[3]。因此，嘗試采用新型鍛造成型的方法，研究具體成型工藝參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，目前關(guān)于鍛造碳纖維復(fù)合材料方面的研究報(bào)道較少[4-5]，具體影響機(jī)制不清楚。本文以鍛造成型碳纖維復(fù)合材料為例，研究模壓壓力、加壓溫度、固化溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，這將有助于掌握成型工藝參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響規(guī)律，并推動(dòng)高性能碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)及其在室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原料包括上海石化集團(tuán)提供的SCF-12K碳纖維，單絲直徑7 μm、線密度0.79 g/m、拉伸強(qiáng)度3 540 MPa、拉伸模量235 GPa；江陰萬(wàn)千化學(xué)品有限公司提供的NP-128型液態(tài)雙酚A型樹(shù)脂，室溫黏度為13 500 mPa·s、環(huán)氧當(dāng)量187 g/eq。

1.2 成型工藝

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝示意圖如圖1，包括預(yù)熱、鋪料過(guò)程、凝膠過(guò)程、固化過(guò)程和脫模過(guò)程。預(yù)熱過(guò)程中使用dea944脫模劑，將模腔預(yù)熱至88 ℃、表面鍍鉻；制備預(yù)浸料并稱量后進(jìn)行鋪料，面積為85%的投影面積；完成后進(jìn)行凝膠處理，控制模壓壓力、加壓溫度、固化溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)，固化后進(jìn)行脫模處理。其中，模壓壓力為6～14 MPa,間隔2 MPa取點(diǎn)；加壓溫度為100～130 ℃，固化溫度為130～160 ℃;固化保溫時(shí)間設(shè)定為15～35 min;預(yù)浸料長(zhǎng)度為50 mm。

圖1 碳纖維復(fù)合材料的成型工藝Fig.1 Forming process of carbon fiber composites

1.3 測(cè)試方法

將不同成型工藝下的碳纖維復(fù)合材料試樣(140 mm×140 mm×2 mm)加工成標(biāo)準(zhǔn)樣條(80 mm×10 mm×2 mm)，根據(jù)ASTM D3039《聚合物基質(zhì)復(fù)合材料的物理力學(xué)試驗(yàn)性能測(cè)試方法》，在ZWICK&ROLL萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，拉伸速率為2 mm/min，結(jié)果取3組試樣平均值，標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度σnor[6]可以表示：

(1)

式中：σsc為實(shí)測(cè)拉伸強(qiáng)度；VCF為復(fù)合材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)。

拉斷后的試樣采用JSM-6400型掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 模壓壓力

圖2為模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，模壓壓力為6～14 MPa。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)拉伸強(qiáng)度圖2 模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.2 Effect of molding pressure on tensile properties of carbon fiber composites

從圖2可以看出，隨著模壓壓力從6 MPa增至14 MPa，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度隨著模壓壓力的變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度相同，在模壓壓力為10 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料取得最大的拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度。這主要是因?yàn)樵谳^小的模壓壓力下(<10 MPa)，模壓過(guò)程中樹(shù)脂的流動(dòng)會(huì)由于模壓壓力較小而減弱，造成局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂貧乏和浸潤(rùn)不透的線性[7]；在較大的模壓壓力下(>10 MPa)，模壓過(guò)程中過(guò)大的模壓壓力會(huì)造成樹(shù)脂流動(dòng)擴(kuò)散性變小，對(duì)樹(shù)脂和纖維的結(jié)合造成不利影響，并在局部產(chǎn)生樹(shù)脂富集區(qū)，內(nèi)部結(jié)合力下降而造成拉伸性能變小[8]。整體而言，當(dāng)模壓壓力為10 MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有相對(duì)較好的拉伸性能。

2.2 加壓溫度

圖3為加壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，加壓溫度為100～130 ℃。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)拉伸強(qiáng)度圖3 加壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.3 Effect of pressure temperature on tensile properties of carbon fiber composites

隨著加壓溫度從100 ℃增至130 ℃，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，在加壓溫度為110 ℃時(shí)取得拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度最大值，繼續(xù)升高加壓溫度至130 ℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度減小至238 MPa。從加壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響上可見(jiàn)，加壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響較大，如果加壓溫度過(guò)大，復(fù)合材料中的樹(shù)脂會(huì)出現(xiàn)局部交聯(lián)作用，影響后續(xù)的樹(shù)脂流動(dòng)而造成局部富集，拉伸過(guò)程中斷裂會(huì)優(yōu)先在聚集區(qū)斷裂[9]；但是加壓溫度也不能太小，如果加壓溫度過(guò)小，樹(shù)脂凝膠時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，局部會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂缺陷，對(duì)拉伸性能也會(huì)造成不利影響。整體而言，碳纖維復(fù)合材料適宜的加壓溫度為110 ℃。

2.3 固化溫度

圖4為固化溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，固化溫度為130～160 ℃。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)拉伸強(qiáng)度圖4 固化溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.4 Effect of curing temperature on tensile properties of carbon fiber composites

隨著固化溫度從130 ℃增至160 ℃，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都先增大后減小，在固化溫度為140 ℃時(shí)取得拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度最大值，繼續(xù)升高固化溫度至160 ℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度減小。從固化溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響上可見(jiàn)，固化溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響較大，如果固化溫度過(guò)大，復(fù)合材料中會(huì)出現(xiàn)過(guò)固化現(xiàn)象，影響纖維的層間結(jié)合力，復(fù)合材料的拉伸性能會(huì)減??；但是固化溫度也不能太小，如果固化溫度過(guò)小，樹(shù)脂的固化反應(yīng)不充分會(huì)造成樹(shù)脂與纖維的交聯(lián)度下降[10]，浸潤(rùn)性能造成影響的同時(shí)結(jié)合力降低，拉伸性能減小。整體而言，碳纖維復(fù)合材料適宜的固化溫度為140 ℃。

2.4 保溫時(shí)間

圖5為保溫時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，保溫時(shí)間為15～35 min。

(b)拉伸強(qiáng)度

(b)拉伸強(qiáng)度圖5 保溫時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.5 Effect of holding time on tensile properties of carbon fiber composites

隨著保溫時(shí)間從15 min增至35 min，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都先增大后減小，在保溫時(shí)間為30 min時(shí)取得拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度最大值(332 MPa)，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間至35 min時(shí)碳纖維復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度減小。從保溫時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響上可見(jiàn)，保溫時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響較大，如果保溫時(shí)間較短，固化過(guò)程中的樹(shù)脂與纖維的固化不充分[11]，結(jié)合力下降而造成拉伸強(qiáng)度減小，而如果保溫時(shí)間過(guò)程，纖維與樹(shù)脂間又會(huì)發(fā)生過(guò)固化現(xiàn)象[12]，造成復(fù)合材料拉伸性能降低。整體而言，碳纖維復(fù)合材料適宜的保溫時(shí)間為30 min。

2.5 斷口形貌

圖6為碳纖維復(fù)合材料的典型拉伸斷口形貌。

a、b-纖維拔出；c、d-樹(shù)脂斷裂；e、f-內(nèi)聚失效圖6 碳纖維復(fù)合材料的典型拉伸斷口形貌Fig.6 Typical tensile fracture morphology of carbon fiber composites

通過(guò)對(duì)不同成形工藝參數(shù)下的碳纖維復(fù)合材料的斷口進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料主要有3種典型斷裂特征，第1種為纖維拔出，即在拉伸斷口中可以發(fā)現(xiàn)參差不齊的斷絲，這些碳纖維與樹(shù)脂的結(jié)合力較差，局部還存在孔洞，這主要與樹(shù)脂貧乏、樹(shù)脂結(jié)合力較差等影響有關(guān)[13]，如在碳纖維模壓成型過(guò)程中的壓力過(guò)小、固化溫度和保溫時(shí)間等控制不當(dāng)造成樹(shù)脂流動(dòng)性變差等會(huì)造成纖維拔出的斷裂失效模型，典型形貌如圖6(a)和圖6(b)所示。第2種為樹(shù)脂斷裂模型，可見(jiàn)碳纖維復(fù)合材料的斷面較為平整，幾乎觀察不到參差不齊的纖維斷裂形貌，這主要是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中無(wú)法有效傳遞樹(shù)脂與纖維的載荷，造成外加荷載超過(guò)樹(shù)脂極限拉伸強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，如果再模壓成型過(guò)程中出現(xiàn)工藝參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)造成樹(shù)脂富集、擴(kuò)散不充分的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)樹(shù)脂斷裂失效[14]，典型形貌如圖6(c)和圖6(d)所示。第3種斷裂形式為內(nèi)聚失效模式，其典型特征為碳纖維復(fù)合材料的拉伸斷口中既沒(méi)有大量纖維拔出，也沒(méi)有樹(shù)脂平斷現(xiàn)象，在外加載荷的過(guò)程中，由于復(fù)合材料內(nèi)部沒(méi)有樹(shù)脂貧乏區(qū)或者富集區(qū)，應(yīng)力可以在纖維與樹(shù)脂間有效傳遞，二者可以互相發(fā)揮作用而使得復(fù)合材料在較高的應(yīng)力下才能斷裂[15]，此時(shí)的斷裂模式為內(nèi)聚失效，當(dāng)模壓成型工藝參數(shù)控制得當(dāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種斷裂模式，如模壓壓力為10 MPa、加壓溫度為110 ℃、固化溫度為140 ℃、保溫時(shí)間為30 min，典型形貌如圖6(e)和圖6(f)所示。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著模壓壓力從6 MPa增至14 MPa，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度隨著模壓壓力的變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度相同，在模壓壓力為10 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料取得最大的拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度；

(2)隨著加壓溫度從100 ℃增至130 ℃，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，在加壓溫度為110 ℃時(shí)取得拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度最大值，繼續(xù)升高加壓溫度至130 ℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度減小至238 MPa；

(3)隨著固化溫度從130 ℃增至160 ℃，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都先增大后減小，在固化溫度為140 ℃時(shí)取得拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度最大值為，繼續(xù)升高固化溫度至160 ℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度減小；

(4)隨著保溫時(shí)間從15 min增至35 min，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度都先增大后減小，在保溫時(shí)間為30 min時(shí)取得拉伸強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化拉伸強(qiáng)度最大值。