張強(qiáng) 張鵬 孫友松 程永奇

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州，510006)

碳纖維針織物自潤(rùn)滑復(fù)合材料力學(xué)性能研究

張強(qiáng) 張鵬 孫友松 程永奇

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州，510006)

研究了真空處理和短切纖維二次增強(qiáng)對(duì)碳纖維平紋布和碳纖維針織物復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:真空處理前后其壓縮強(qiáng)度分別提高了8.86%和8.08%，沖擊強(qiáng)度則分別提高了15.55%和9.43%；短切纖維二次增強(qiáng)效果明顯，壓縮強(qiáng)度分別提高了9.91%和22.52%，但沖擊強(qiáng)度略有下降。

碳纖維針織物 復(fù)合材料 真空處理 短切纖維 力學(xué)性能

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定、可整體成型等優(yōu)點(diǎn)，成為重要的工程結(jié)構(gòu)材料并部分取代傳統(tǒng)的金屬材料。本課題組提出一種創(chuàng)新型鋼背-自潤(rùn)滑復(fù)合材料襯層傳動(dòng)螺母，兼有高的承載能力和低的摩擦系數(shù)[1]。采用鋼背為基底，碳纖維針織物為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹(shù)脂為基料配以石墨、二硫化鉬、滑石粉等潤(rùn)滑成分粘接制成的碳纖維針織物復(fù)合材料襯層，除具有承載能力高、耐沖擊、無(wú)層間剝離等特點(diǎn)外，還因碳纖維具有多晶亂層石墨結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑成分的綜合作用，使其表現(xiàn)出摩擦系數(shù)低、壽命長(zhǎng)等良好的自潤(rùn)滑特性，是近年發(fā)展起來(lái)的一種具有很高使用價(jià)值的新型高性能復(fù)合材料[2]。

下面主要討論短切碳纖維二次增強(qiáng)及真空處理對(duì)碳纖維針織物自潤(rùn)滑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，為制作新型高效重載復(fù)合材料傳動(dòng)螺母奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

短切碳纖維,5～6 μm，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司;固化劑(DDM),阿拉丁公司；環(huán)氧樹(shù)脂,E-51,岳陽(yáng)石油化工公司；活性稀釋劑，501，廣州恒?；び邢薰?；增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯，西隴化工股份有限公司；MoS2和石墨，分析純，均為天津大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)；滑石粉，市售。

1.2 樹(shù)脂基體成分制備

復(fù)合材料以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，添加物為增塑劑、滑石粉、石墨、MoS2、短切纖維、固化劑等，經(jīng)前期多次試驗(yàn)確定配方比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。為比較短切纖維對(duì)織物性能的影響，選取2種配方如表1所示。

1.3 碳纖維針織物及碳纖維平紋布試樣

碳纖維針織物采用申風(fēng)牌KH-860型手動(dòng)編織橫機(jī)，平針編織T300-3000型針織物基礎(chǔ)試樣；碳纖維平紋布采用日本東麗C06142號(hào)T300-1000型，厚度0.15 mm。

1．4 樣品制備

按表1制備不同復(fù)合材料，將潤(rùn)滑組分?jǐn)嚢杈鶆蚝缶徛尤氕h(huán)氧膠體并充分?jǐn)嚢鑲溆?。?jīng)表面預(yù)處理后的碳纖維針織物和平紋布均采用手糊模壓法制備沖擊、壓縮試樣，真空處理試樣利用深圳快科真空注塑機(jī)在表壓-0.1 MPa下真空處理1 h后再次予以補(bǔ)膠。螺旋加壓合模，四角的金屬墊塊控制試樣厚度，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在環(huán)氧高溫固化臺(tái)上100 ℃加熱2 h，再160 ℃加熱2 h后隨爐冷卻。

1.5 性能測(cè)試

樹(shù)脂含量按照GB/T 3855—1983測(cè)試；沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1843—2008測(cè)試，壓縮性能按照GB/T 1448—2005測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 真空處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表2給出了真空處理前后碳纖維平紋布和針織物壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的變化情況。在對(duì)碳纖維平紋布和針織物進(jìn)行同樣預(yù)處理后均采用樹(shù)脂基體序號(hào)No.1制備試樣并測(cè)試。

從表2可以看出，真空處理后碳纖維平紋布和針織物的壓縮強(qiáng)度分別提高了8.86%和8.08%，沖擊強(qiáng)度則分別提高了15.55%和9.43%。

圖2是織物沖擊斷口形貌。

從圖2可以看出，圖2(a)中碳纖維平紋布沖擊斷口層次分明，大致呈“V”形斷面，且靠近表面位置出現(xiàn)明顯的層間剝離現(xiàn)象，說(shuō)明在沖擊過(guò)程中試件中部纖維首先發(fā)生層間脫黏，橫向剪切斷裂并向兩側(cè)面擴(kuò)展開(kāi)來(lái)；而圖2(b)中碳纖維針織物斷口較為平整，部分碳絲拔出，更多是樹(shù)脂膠體承受沖擊載荷，纖維束則在其中起到間斷性增強(qiáng)作用，為典型的脆性斷裂。

圖3(a)，(b)為試件軸向壓縮斷面的掃描電鏡照片，圖3(c),(d)為壓縮試樣宏觀(guān)形貌。

從圖3(a)可以看出，碳纖維平紋布試件中纖維束排列十分緊密，其斷口纖維破壞情況清晰可見(jiàn)，即纖維沿某一方向分層斷裂，說(shuō)明纖維是壓縮時(shí)的主要承載體，層間應(yīng)力集中導(dǎo)致纖維依次斷裂并使裂紋擴(kuò)展至下一層，最初的開(kāi)裂位置常位于纖維結(jié)合強(qiáng)度較弱地方，即層間貧酯區(qū)。而圖3(b)可以看出主要承載體為間斷性的碳纖維絲束及其樹(shù)脂基體填充物，由于織物纖維的不連續(xù)，樹(shù)脂基體承載能力不如纖維，導(dǎo)致此類(lèi)針織物力學(xué)強(qiáng)度低于碳纖維平紋布試件的。由圖3(c),(d)可以看出，纖維在沿試件寬度方向斷口比較平整，厚度方向斷口約呈45°，為典型的剪切破壞特征。其次，壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線(xiàn)在斷裂前基本呈現(xiàn)線(xiàn)性變化，為典型的脆性斷裂狀態(tài)，但針織物的壓縮在裂紋產(chǎn)生到最終斷裂過(guò)程中存在幾次波動(dòng)，而碳纖維平紋布試樣在達(dá)到最大力后出現(xiàn)陡降，即突然破裂。說(shuō)明碳纖維平紋布樹(shù)脂基體受力較為均勻，針織物試樣由于纖維含量較少，樹(shù)脂基體為其主要承載對(duì)象，當(dāng)裂紋延伸至纖維束周邊時(shí)，基體與纖維先發(fā)生脫黏，而后纖維受力斷裂。

2．2 纖維二次增強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響

對(duì)2種不同織物先預(yù)處理，再采用樹(shù)脂基體序號(hào)No.2樹(shù)脂基體真空處理后按標(biāo)準(zhǔn)完成沖擊、壓縮試樣制備并測(cè)試，其結(jié)果如表3所示。

短切纖維的加入對(duì)碳纖維平紋布和針織物壓縮強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，其值分別提高了9.91%和22.52%。但是二者沖擊強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的下降，分別下降了29.34%和17.97%。

3 結(jié)論

a) 真空處理使碳纖維平紋布和針織物復(fù)合材料浸膠充分，同時(shí)其壓縮強(qiáng)度相對(duì)非真空條件提高了8.86%和8.08%，沖擊強(qiáng)度則分別提高了15.55%和9.43%。

b) 短切纖維的引入對(duì)碳纖維平紋布和針織物復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)效果，起到二次增強(qiáng)的作用，其值分別提高了9.91%和22.52%，但其沖擊性能卻有不同程度降低趨勢(shì)。

c) 單層碳纖維橫機(jī)針織物整體成型并加以短切碳纖維作二次增強(qiáng)體制備螺母內(nèi)襯，力學(xué)強(qiáng)度基本符合重載傳動(dòng)螺母使用需求。同時(shí)可避免纖維鋪層工藝中層間剝離問(wèn)題，也改善了短切纖維注射成型襯層強(qiáng)度不夠的缺陷。

[1] 賀福. 碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 李春梅,孫友松，王萬(wàn)順，等. 碳纖維/聚合物自潤(rùn)滑復(fù)合材料的機(jī)械及摩擦性能[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2011,23(4),5-9.

下期主要信息

不同改性劑增韌改性聚三氟氯乙烯共混體系結(jié)構(gòu)與性能研究

馮鈉等

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郝麗媛等

Mechanical Properties of Self-Lubricating Carbon Fiber Knitted Fabric Composite Materials

Zhang Qiang Zhang Peng Sun Yousong Cheng Yongqi

(School of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou, Guangdong,510006)

The effects of vacuum treatment and double reinforce by short fiber on the mechanical properties of carbon fiber plain cloth or carbon fiber knitting fabric composite materials were studied. The results show that their compression strength increase by 8.86% and 8.08% and the impact strength increase by 15.55% and 9.43% through vacuum treatment respectively. Double reinforce by short fiber has significant influence on the compressive strength and promote the compressive strength of carbon fiber plain cloth and carbon fiber knitting fabric by 9.91% and 22.52%respectively, but the impact strength decreases slightly.

carbon fiber knitted fabric; composite materials; vacuum treatment; short fiber; mechanical properties

2014-08-26;修改稿收到日期:2014-12-22。

張強(qiáng)(1988—)，碩士研究生，研究方向?yàn)樘祭w維自潤(rùn)滑復(fù)合材料。E-mail：zhangqiang198809@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175088, 51105211)，國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201311845031)。