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(1 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2 中國兵器工業(yè)豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，河南 南陽 473000)

Cu-CF/EP復(fù)合材料導(dǎo)電與阻尼性能研究

趙雄偉1，臧充光1，焦清介1，馬慶坤2

(1北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2中國兵器工業(yè)豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，河南南陽473000)

研究不同長徑比的碳纖維(CF)對環(huán)氧樹脂阻尼性能的影響，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上對CF鍍銅處理，采用SEM對鍍銅CF(Cu-CF) 進(jìn)行驗證，并研究Cu-CF/EP復(fù)合材料的力學(xué)、導(dǎo)電以及阻尼性能。結(jié)果表明：CF表面鍍銅均勻；加入較少量大長徑比CF能很好地提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，但是彎曲強(qiáng)度卻明顯降低，而加入較多的小長徑比CF對材料的力學(xué)性能有所增強(qiáng)。此外CF-P3200能很好地提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和阻尼性能。

碳纖維；阻尼性能；導(dǎo)電性能；復(fù)合材料

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，火箭、衛(wèi)星、艦艇、火車、汽車等的功率和速度都有很大程度的提高，這必然帶來寬頻帶的隨機(jī)振動和噪聲，并將激發(fā)起儀器和設(shè)備結(jié)構(gòu)的多重共振，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)破壞，儀表失靈。因此，阻尼減振降噪技術(shù)受到工業(yè)界和科技界的高度重視[1,2]。多年來，人們研究了多種解決振動和噪聲的方法，其中阻尼技術(shù)是最為有效的方法。通常把系統(tǒng)損耗振動能或聲能的能力稱為阻尼。阻尼越大，輸入系統(tǒng)的能量便能在較短時間內(nèi)損耗完畢，因而系統(tǒng)從受激振動到重新靜止所經(jīng)歷的時間就越短，所以阻尼也可理解為系統(tǒng)受激后迅速恢復(fù)到受激前狀態(tài)的一種能力。各類阻尼材料已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域[3]，包括各種機(jī)械設(shè)備的隔聲罩，發(fā)動機(jī)的外殼，各種交通工具，如汽車、船舶、航天器上的艙壁、大型管道系統(tǒng)及民用家電等，而且隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對阻尼材料的需求也日益增加[4]。也就是說，這一技術(shù)的研究在促進(jìn)國防建設(shè)和國民建設(shè)上具有重要的價值和意義。

復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、剛度大、強(qiáng)度高的優(yōu)點已被廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)部門，尤其是在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。聚合物復(fù)合阻尼材料主要品種有芳綸/EP復(fù)合材料，短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料等。Dutra等[5]研究了聚丙烯纖維(PP)/EP以及聚丙烯纖維-巰基改性的乙烯醋酸乙烯酯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能。從純EP固化物到以上兩個體系的損耗因子(tanδ)依次降低，Tg依次向高溫移動。無機(jī)填料對阻尼性能的影響，除了與填料本身性質(zhì)有關(guān)，主要受其形態(tài)的影響。填料通常的形狀是片狀、纖維狀或顆粒狀。一般認(rèn)為，比較疏松的、帶有微孔的填料有利于改善高聚物的動態(tài)力學(xué)性能。這是因為當(dāng)疏松有微孔的填料與互穿網(wǎng)絡(luò)復(fù)合時，可能增大了互穿網(wǎng)絡(luò)與填充物的相互作用，當(dāng)分子鏈段運動時，會增加體系的內(nèi)摩擦力，在動態(tài)力學(xué)損耗譜上表現(xiàn)出阻尼損耗因子極值、儲能模量增大。劉建英等[6]、李曉靜[7]分別研究和設(shè)計了泡沫鋁/環(huán)氧復(fù)合材料，認(rèn)為這是一種內(nèi)耗值較高的輕質(zhì)高強(qiáng)材料，其阻尼機(jī)理主要是界面摩擦耗散能量。Tantawy等[8]制備了一種含鈦微粒(20μm)、硅烷偶聯(lián)劑、增塑劑的多孔環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。就鈦微粒的影響而言，材料的損耗因子隨鈦微粒含量的增加而增大，可能是鈦微粒平均間距減小，能夠充分地分散在多孔環(huán)氧基體中，與基體分子鏈結(jié)合緊密。另外，新型填料如晶須、壓電材料、納米材料等與環(huán)氧樹脂復(fù)合的阻尼材料也逐漸受到重視，這些材料可能具有與通常的阻尼材料不同的阻尼機(jī)理。張文等[9]對氧化鋅晶須/環(huán)氧復(fù)合材料的減振阻尼特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為阻尼系數(shù)隨晶須加入量增加呈線性關(guān)系，氧化鋅晶須滲入到復(fù)合材料中形成微觀的阻尼結(jié)構(gòu)，起到降低固有振動頻率和增大衰減率的作用。Suhr等[10]分別以硅納米顆粒、硅納米棒、硅納米彈簧為填料，環(huán)氧樹脂為基體制成薄膜，研究了這三種環(huán)氧樹脂薄膜的阻尼性能。

近年來碳纖維(CF)由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料[11,12]，如Rahmani等[13]研究了CF/EP壓層復(fù)合材料的力學(xué)性能；Tsotra等[14]研究了CF/EP復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與力學(xué)性能。然而隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于單純CF的補強(qiáng)效果，開始尋求更高效的補強(qiáng)填料，為此科學(xué)家們將CF金屬包覆[15,16]，在制備聚合物復(fù)合材料時，一方面可以有效避免CF在機(jī)械共混時表面損傷，另一方面可以增加CF與基體的界面相容性，有利于導(dǎo)電、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成[17]，同時鍍有金屬的CF自身電熱傳導(dǎo)能力也得到了提升，具有更高的傳導(dǎo)能力[18]。Li等[19]在CF表面鍍Ag，并研究了鍍銀CF/EP復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)與電磁屏蔽性能；Wang等[20]在CF表面鍍Ni，并研究鍍鎳CF/硅橡膠復(fù)合材料的電磁屏蔽性能；Yu等[18]在CF表面鍍Cu，并研究了鍍銅CF的熱性能。朱明明等[21]制備了鍍銅CF，并研究了鍍Cu短CF增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的性能。

本工作選擇CF作為導(dǎo)電填料，并在CF表面鍍銅，選擇強(qiáng)度高，模量高，具有優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，但是沖擊強(qiáng)度較差并且阻尼性能也不好的EP作為基體材料，采用簡單的溶液共混法制備CF/EP阻尼復(fù)合材料。研究不同添加量的鍍銅前后的CF對復(fù)合材料的導(dǎo)電性能、阻尼性能和力學(xué)性能的影響，找出了使材料獲得最優(yōu)性能的最佳配方。

1 實驗

1.1原材料

E-51環(huán)氧樹脂，無錫迪愛生環(huán)氧有限公司；1415B固化劑，廣州百聯(lián)合成材料有限公司生產(chǎn)；碳纖維(CF-P200,CF-P1200,CF-P3200三種，長度分別為0.2,1.2,3.2mm，直徑為7～8μm，拉伸強(qiáng)度3500～3800MPa，拉伸模量220～240GPa，體積電阻率為1.6×10-3Ω·cm)，鹽城市翔盛碳纖維科技有限公司；十二烷基硫酸鈉、鋅粉、十二烷基苯磺酸鈉、五水硫酸銅、磷酸三丁酯，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；H2SO4、HNO3、HCl、丙酮、無水乙醇，北京化工廠。

1.2實驗步驟

(1)CF預(yù)處理

首先稱取20gCF于500mL燒杯中，加適量蒸餾水浸沒，在30℃恒溫水浴中電動攪拌，轉(zhuǎn)速控制為500r/min，邊攪拌邊加入1g十二烷基硫酸鈉，攪拌1h后超聲分散1h。超聲過程中，間歇攪拌，水溫保持在38～44℃，功率250W。超聲后抽濾，蒸餾水洗滌，干燥后備用。

稱取12g上述CF加入燒杯中，加適量丙酮浸沒，3h后抽濾，烘干，置于420℃馬弗爐中1h，得表面去膠氧化的碳纖維，備用。稱取10g去膠氧化的CF加入500mL燒杯中，加蒸餾水剛好淹沒，超聲分散15min后置于30℃恒溫水浴中，電動攪拌，轉(zhuǎn)速控制為500r/min，邊攪拌邊加入6.5g鋅粉，再加入十二烷基硫酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉各1g，攪拌5min。稱取15g五水硫酸銅用200mL蒸餾水稀釋后逐漸加入，再用稀硫酸調(diào)節(jié)pH值至4，繼續(xù)攪拌2h后抽濾。鍍銅結(jié)束后，將鍍銅CF加入到1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)苯駢三氮唑溶液中，對CF進(jìn)行鈍化處理，以防止碳纖維上的銅被氧化，鈍化后用去離子水清洗鍍銅CF，然后將其放在真空干燥箱中烘干，即得鍍銅CF(Cu-CF)。

(2)復(fù)合材料制備

稱取25g經(jīng)50℃加熱變稀的EP，放入三口燒瓶中。在50℃恒溫水浴中電動攪拌，轉(zhuǎn)速為800r/min，再稱取一定量的碳纖維加入燒瓶中，與EP一起在50℃下水浴加熱攪拌10min。然后稱取25g的固化劑1415B加入燒瓶中，再加入脫泡劑磷酸三丁酯2mL繼續(xù)攪拌，同時真空脫氣，調(diào)節(jié)攪拌速率為500r/min，繼續(xù)真空攪拌0.5h。停止攪拌，趁熱將混合物倒入已經(jīng)涂抹真空硅脂并且經(jīng)過預(yù)熱的磨具中，置于80℃的真空干燥箱中2h，停止加熱，在烘箱中自然冷卻，出模。不同CF添加量如表1所示。

表1 復(fù)合材料中CF的添加量Table 1 The additions of different CF in the polymer composites

1.3性能測試

利用S-4800掃描電鏡觀察填料在基體中的分布情況來分析填料對復(fù)合材料性能的影響；利用XWW-50微電子萬能試驗機(jī)和XJJ-50簡支梁沖擊試驗機(jī)測試了材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度兩個力學(xué)性能；利用VA3000動態(tài)熱機(jī)械分析儀測試材料動態(tài)力學(xué)性能；并測定了材料的體積電阻率(GB/T15662-1995)。

2 結(jié)果與分析

2.1填料的形貌分析

圖1為不同CF及其復(fù)合材料形貌圖像。圖1(a)為未經(jīng)過處理的原始束狀碳纖維的電鏡圖片，圖中可以清楚地看到雜質(zhì)附著在碳纖維表面，其表面形態(tài)非常光滑整潔，幾乎看不到缺陷，所以CF呈憎液性和疏水性。如果以這種CF直接進(jìn)行鍍銅，鍍層很難與碳纖維產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械嵌合力，界面結(jié)合強(qiáng)度很差。所以必須對CF進(jìn)行表面氧化處理，用來提高其表面粗糙度，增加表面活性，獲得較理想的表面狀態(tài)。圖1(b)為碳纖維在420℃下空氣氧化1h后的碳纖維表面形貌，由圖可以看出，碳纖維表面有微量刻蝕出現(xiàn)，表明碳纖維的表面積及粗糙度均得到了一定的增加。從圖1(c)可以看到，碳纖維鍍銅后，其直徑明顯變粗，并且表面上的鍍層均勻連續(xù)，效果較為理想。由圖1(d)可看出環(huán)氧樹脂基體材料的斷面裂紋均勻，有的呈條狀，有的呈波紋狀分布，整個斷面光滑致密，紋路有一定的方向性。而添加CF的復(fù)合材料斷面上有好多懸掛著的CF，說明能更好地增加材料的沖擊強(qiáng)度，如圖1(e)所示，可以看出CF間相互交錯著，從而增加了材料的導(dǎo)電性能，并且增大了CF間的相互摩擦并且能被很好地傳導(dǎo)而耗散掉，增大了復(fù)合材料的阻尼性能。添加了鍍銅碳纖維的復(fù)合材料斷面裂紋很不規(guī)則，并且可以清楚地看到縱橫交錯的CF在材料中不均勻的分布著，如圖1(f)所示。從懸掛著的一根碳纖維也可證明在材料受到?jīng)_擊而斷裂時分兩個過程：一是剪切破壞，二是分層和纖維拔出破壞，從而增加了材料的沖擊強(qiáng)度。

圖1 不同碳纖維及其復(fù)合材料形貌圖 (a)原始CF；(b)氧化CF；(c)Cu-CF；(d)EP；(e)CF/EP復(fù)合材料；(f)Cu-CF/EP復(fù)合材料Fig.1 SEM images of raw-CF (a),oxidized CF (b),copper coated CF (c),EP (d),CF/EP composite(e) and copper coated CF/EP composite (f)

2.2復(fù)合材料力學(xué)性能分析

圖2為不同CF添加量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。從圖2(a)可以看出復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨CF-P200添加量的增加變化趨勢并不是很明顯，材料的彎曲強(qiáng)度先隨著CF的增加而減小，然后再增大，在CF的添加量為15g時達(dá)到一最大值87.2MPa。復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度變化不大，都在6～8kJ/m2之間，當(dāng)CF的添加量為10g時，其沖擊強(qiáng)度為7.7kJ/m2，CF的添加量為15g時的沖擊強(qiáng)度為7.2kJ/m2。

圖2 不同CF添加量對材料力學(xué)性能的影響 (a)CF-P200；(b)Cu-CF-P200；(c)CF-P1200；(d)Cu-CF-P1200；(e)CF-P3200；(f)Cu-CF-P3200Fig.2 Mechanical properties of CF/EP composites with different filler loadings (a)CF-P200,(b)Cu-CF-P200；(c)CF-P1200；(d)Cu-CF-P1200；(e)CF-P3200；(f)Cu-CF-P3200

從圖2(b)可以看出復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都隨著Cu-CF-P200添加量的增加先增大后減小，在添加量為15g時彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值87.2MPa，在添加量為10g時沖擊強(qiáng)度最大值為7.8kJ/m2，相對于加入鍍銅前的CF材料的力學(xué)性能變化并不大。

圖2(c)可以看出復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著CF-P1200添加量的增加而增大，在添加量超過5g后增加趨勢有所放緩；而彎曲強(qiáng)度則隨著CF添加量的增加而減小，在添加量超過5g后減小趨勢有所增大。當(dāng)CF-P1200的添加量為5g時其沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為9.0kJ/m2和55.5MPa。

從圖2(d)可以看出復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著1.2mm長Cu-CF添加量的增加而減小，但是變化幅度不大，都在81～86MPa之間。復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著Cu-CF-P1200添加量的增加有比較大的提高，在添加量為5g時其沖擊強(qiáng)度為9.3kJ/m2。

從圖2(e)中可以看出復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨3.2mm長CF添加量的增加而迅速增大，當(dāng)添加量達(dá)到2g時增速放緩，并且之后少有回落，在添加量為2g時的沖擊強(qiáng)度為14.0kJ/m2。其彎曲強(qiáng)度卻隨著CF添加量的增加而迅速減小，當(dāng)添加1g時強(qiáng)度從基體的85.6MPa變?yōu)?0.5MPa，之后減速放緩，當(dāng)CF添加2g時其彎曲強(qiáng)度為22.6MPa。

從圖2(f)可以看出復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨著3.2mm長Cu-CF添加量的增加而呈現(xiàn)與圖2(e)相同的趨勢，當(dāng)Cu-CF添加量為2g時，其沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為13.2kJ/m2和25.2MPa。

纖維復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時，第一階段是剪切破壞，第二階段則由分層和纖維拔出破壞兩個過程。因為當(dāng)復(fù)合材料在應(yīng)力作用下，由于纖維和基體的彈性模量相差很大，在同樣應(yīng)力的作用下，碳纖維的應(yīng)變遠(yuǎn)小于基體的應(yīng)變，而使得基體受到破壞后還能緩沖一定的能量。從以上的數(shù)據(jù)中也可以看出，隨著CF長度的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度增大趨勢也更加明顯，這主要是因為在纖維拔出的過程中，具有大長徑比的CF和基體有更大的接觸面積不容易斷裂，從而使得材料的沖擊強(qiáng)度明顯增大。

隨著碳纖維含量的增加，由于混料條件的限制，導(dǎo)致碳纖維的偏聚，與基體結(jié)合較差，從而使復(fù)合材料的孔隙率增加，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度降低。從以上的數(shù)據(jù)可以看出隨著CF含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度逐漸減小了，但是加入0.2mm長CF的材料卻又有回升的趨勢，在添加量為30%時達(dá)到最大值。隨著CF長度的增大，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度減小的幅度增大，并且CF添加量在逐漸減少時便會使其彎曲強(qiáng)度迅速降低。如當(dāng)1.2mm長CF的添加量為10%時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為55.5MPa，當(dāng)3.2mm長CF添加量為4%時其彎曲強(qiáng)度為22.6MPa。這主要是因為隨著碳纖維長度增加，碳纖維彼此間容易搭接，而導(dǎo)致團(tuán)聚，從而使碳纖維的富集區(qū)增多，易于產(chǎn)生空隙或氣孔等缺陷，導(dǎo)致導(dǎo)電復(fù)合材料彎曲性能的降低。因此纖維長度的增加，復(fù)合材料性能在碳纖維含量較小時便會有比較明顯的變化。

從以上的分析數(shù)據(jù)中可以看出只有當(dāng)CF的長度為1.2mm時，添加鍍銅前后CF的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度有很大的不同，添加鍍銅CF的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著CF添加量的增加只有小幅度的減小，而添加沒有經(jīng)過鍍銅處理的CF的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著CF添加量的增加而迅速減小，如CF添加量為10%時，沒有鍍銅時的彎曲強(qiáng)度為55.5MPa，而鍍銅后的為82.0MPa。而添加鍍銅前后0.2mm和3.2mm的CF卻都沒有這種變化，這可能是因為1.2mm長的CF鍍層比較均勻并且與碳纖維和基體間的界面都能夠很好的相容的緣故。但是沖擊強(qiáng)度卻沒有明顯的增大，這是因為其界面結(jié)合能只是對較小的應(yīng)力有比較明顯的作用，而對沖擊強(qiáng)度這種需要擺錘的瞬間沖擊產(chǎn)生很大應(yīng)力的影響就不會那么明顯了。

2.3復(fù)合材料導(dǎo)電性能分析

圖3揭示了復(fù)合材料的體積電阻率隨碳纖維的添加量的變化趨勢。由圖3(a)可以看出加入CF-P200和Cu-CF-P200復(fù)合材料的導(dǎo)電性能都有所提高，相同添加量下，Cu-CF-P200對復(fù)合材料的導(dǎo)電性能提高明顯高于CF-P200，加入Cu-CF-P20020g的復(fù)合材料體電阻率為7.9×108Ω·cm，基本上還屬于絕緣材料。而當(dāng)添加CF-P1200和CF-P3200時復(fù)合材料的體電阻率明顯降低(如圖3(b)所示)，在添加4g時，二者均出現(xiàn)了滲濾現(xiàn)象，當(dāng)添加量增至5g時，CF-P1200對復(fù)合材料導(dǎo)電性提高達(dá)到最大值，繼續(xù)添加對復(fù)合材料導(dǎo)電性影響較小，而Cu-CF-P1200在添加量達(dá)到6g時仍可以有效地提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，說明Cu-CF-P1200具有更高的補強(qiáng)效果，加入Cu-CF-P12006g時材料的體積電阻率為7.2×103Ω·cm。圖3(c)為CF-P3200和Cu-CF-P3200添加量對復(fù)合材料體電阻率的影響，從圖中可以看出，在低添加量下，Cu-CF-P1200/EP復(fù)合材料的導(dǎo)電性優(yōu)于CF-P1200/EP復(fù)合材料，然而在添加量達(dá)到4g時，二者的導(dǎo)電性能趨于相同，這可能是由于隨著添加量的增大，CF在EP中逐漸形成完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致二者的導(dǎo)電性趨于相同。與Cu-CF-P200和Cu-CF-P1200相比，Cu-CF-P3200對復(fù)合材料的導(dǎo)電性影響更大，添加量僅為3g時，CF-P3200/EP復(fù)合材料的體積電阻率降為7.2×105Ω·cm。

圖3 復(fù)合材料體電阻率隨填料添加量的變化 (a)CF-P200和Cu-CF-P200；(b)CF-P1200和Cu-CF-P1200；(c)CF-P3200和Cu-CF-P3200Fig.3 Volume resistivity of various CF/EP composites with different fillers loadings (a)CF-P200 and Cu-CF-P200;(b)CF-P1200 and Cu-CF-P1200;(c)CF-P3200 and Cu-CF-P3200

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性主要取決于填料的分散狀態(tài)。根據(jù)滲流理論，原來孤立分散的填料在體積分?jǐn)?shù)達(dá)到某一臨界含量以后，就會形成連續(xù)的導(dǎo)電通路，這時離子處于兩種狀態(tài)，一是離子間發(fā)生物理接觸，電荷載流子可在連續(xù)的導(dǎo)體內(nèi)流動；二是離子間有黏結(jié)劑薄層存在，以致載流子本身的激活而運動。導(dǎo)電纖維之所以受到人們?nèi)绱说那嗖A，主要是因為它能夠提供長程導(dǎo)電通道。根據(jù)滲流理論，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成是復(fù)合材料實現(xiàn)導(dǎo)電功能的前提條件，纖維的長徑比越大，越有利于導(dǎo)電纖維彼此之間的搭接而形成導(dǎo)電通道。從圖3中可以看出長徑比大的碳纖維要比長徑比小的更能增加復(fù)合材料的導(dǎo)電性，且鍍銅碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性優(yōu)于碳纖維， 可能是由于鍍銅后鍍銅碳纖維導(dǎo)電性變大，在EP中的分散性變好，不易團(tuán)聚，更加有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。

2.4復(fù)合材料阻尼性能分析

根據(jù)以上碳纖維的添加量對材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的分析，分別選擇加0.2mm長碳纖維15g，1.2mm長碳纖維5g和3.2mm長碳纖維2g做阻尼測試，其損耗因子隨溫度的變化曲線如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料損耗因子隨溫度的變化曲線 (a)CF/EP；(b)Cu-CF/EPFig.4 Loss factor of different composites with temperature (a)CF/EP;(b)Cu-CF/EP composites

從圖4(a)可以看出，基體的損耗因子最大峰值在70℃時為0.46，而當(dāng)添加碳纖維時，CF/EP復(fù)合材料的損耗因子峰值基本出現(xiàn)在70℃左右，且略有增大。從圖4(b)可以看出，隨著Cu-CF添加，Cu-CF/EP復(fù)合材料的損耗峰移向低溫，并且隨著Cu-CF長徑比的增大損耗峰逐漸移向低溫，峰值逐漸增大，峰寬也明顯增大。

加入填料對聚合物材料阻尼性能的影響有兩方面。一方面，填料填充了聚合物分子鏈段間的間隙，使自由體積減小，限制了分子鏈段的運動，降低了阻尼值，起副作用；另一方面，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，填料與聚合物及填料之間的內(nèi)摩擦作用隨分子運動的加劇而增大，從而提高了材料的阻尼值。究竟哪一種作用占優(yōu)勢，取決于填料本身的結(jié)構(gòu)。碳纖維和EP以及碳纖維之間的摩擦作用消耗了部分能量，從而提高了材料的阻尼值。CF表面光滑，對復(fù)合材料阻尼性能提高有限，不同長徑比CF對復(fù)合材料影響大體相同。而對于Cu-CF，長徑比大的Cu-CF對復(fù)合材料的阻尼性能提高較大并且逐漸移向室溫，具有小長徑比的Cu-CF易于產(chǎn)生空隙或氣孔等形成中間相,從而提高復(fù)合材料的阻尼性能，而具有大長徑比的Cu-CF容易彼此之間的搭接而形成導(dǎo)電通道，可以很好地將摩擦產(chǎn)生的熱量經(jīng)過導(dǎo)電而耗散，從而有效地提高了材料的阻尼性能。而峰值逐漸移向低溫說明了材料具有高阻尼性能的主要因素已經(jīng)不是高分子鏈在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近的運動而消耗能量。

3 結(jié)論

(1)對CF進(jìn)行分散→碳纖維表面去膠氧化→鍍銅→鈍化處理，丙酮可以較為徹底地清洗掉碳纖維表面的雜質(zhì)，鍍銅后CF直徑明顯加粗，其表面鍍層均勻連續(xù)。

(2)加入較少量長徑比大的CF就能很好地提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，但是彎曲強(qiáng)度卻明顯降低。加入較多的長徑比小的CF對材料的力學(xué)性能有所增強(qiáng)。

(3)大長徑比的CF能夠有效地提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和阻尼性能，小長徑比的CF對復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和阻尼性能有所增強(qiáng)。

[1] 倪楠楠, 溫月芳, 賀德龍,等. 結(jié)構(gòu)-阻尼復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 材料工程,2015,43(6):90-101.

NINN,WENYF,HEDL,etal.Processontheresearchofstructure-dampingcomposites[J].JournalofMaterialsEngineering,2015,43(6):90-101.

[2] 趙云峰, 游少雄. 結(jié)構(gòu)/阻尼一體化復(fù)合材料技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 材料工程,2012(11):86-91.

ZHAOYF,YOUSX.Reviewonthestructure/dampingcocuredcompositematerialsandtheirapplications[J].JournalofMaterialsEngineering,2012(11):86-91.

[3]UNGEREE.Noiseandvibrationcontrol[M].NewYork:McGrawHillBookCompany,1979:23-34.

[4] 王海僑, 姜志國, 黃麗, 等. 阻尼材料研究進(jìn)展[J]. 高分子通報,2006(3):24-30.

WANGHQ,JIANGZG,HUANGL,etal.Developmentofdampingmaterials[J].PolymerBulletin,2006(3):24-30.

[5]DUTRACL,SOARESBG,CAMPOSEA,etal.Compositematerialsconstitutedbyamodifiedpolypropylenefiberandepoxyresin[J].JournalofAppliedPolymerScience,1999,73(1):69-73.

[6] 劉建英, 徐平, 于英華. 泡沫鋁復(fù)合材料的制備及其阻尼性能[J]. 煤礦機(jī)械,2004(5):33-35.

LIUJY,XUP,YUYH.Manufacturinganddampingpropertiesofthecompositematerialoffoamaluminum[J].CoalMineMachinery,2004(5):33-35.

[7] 李曉靜. 泡沫鋁納米環(huán)氧樹脂新型復(fù)合材料設(shè)計[J]. 機(jī)械工程師,2003(10):55-57.

LIXJ.Foamaluminum/nanoepoxyintegrationoffunctionandstructurenewtypenanocomposites’sdesigningandpredictingitsproperty[J].MechanicalEngineer,2003(10):55-57.

[8]TANTAWYFE,SUNGYK.Anovelultrasonictransducerbackingfromporousepoxyresin-titanium-silanecouplingagentandplasticizercomposites[J].MaterialsLetters,2003,58:154-158.

[9] 張文, 陳長勇, 金增平, 等. 氧化鋅晶須/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料減振性能[J]. 青島化工學(xué)院學(xué)報,1998,19(4):361-364.

ZHANGW,CHENCY,JINZP,etal.VibrationdecreaseofZnOw/epoxyresincomposite[J].JournalofQingdaoInstituteofChemicalTechnology,1998,19(4):361-364.

[10]SUHRJ,KORATKARNA,YED,etal.Dampingpropertiesofepoxyfilmswithnanoscalefillers[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures,2006,17(3):255-260.

[11]ZANGCG,ZHUXD,JIAOQJ.Enhancedmechanicalandelectricalpropertiesofnylon-6compositesbyusingcarbonfiber/graphenemultiscalestructureasadditive[J].JournalofAppliedPolymerScience,2014,132(19):6230-6240.

[12]HANJH,ZHANGH,CHENMJ,etal.Thecombinationofcarbonnanotubebuckypaperandinsulatingadhesiveforlightningstrikeprotectionofthecarbonfiber/epoxylaminates[J].Carbon,2015,94:101-113.

[13]RAHMANIH,NAJAFISHM,ASHORIA.Mechanicalperformanceofepoxy/carbonfiberlaminatedcomposites[J].JournalofReinforcedPlasticsandComposites,2014,33(8):733-740.

[14]TSOTRAP,FRIEDRICHK.Electricalandmechanicalpropertiesoffunctionallygradedepoxy-resin/carbonfibrecomposites[J].Composites:PartA,2003,34:75-82.

[15]HUN,ITOIT,AKAGIT,etal.Ultrasensitivestrainsensorsmadefrommetal-coatedcarbonnanofiller/epoxycomposites[J].Carbon,2013,51:202-212.

[16]LIWW,LIUL,SHENB.EffectofNi-coatedshortcarbonfibersonthemechanicalandelectricalpropertiesofepoxycomposites[J].FibersandPolymers,2013,14(9):1515-1520.

[17]CHED,YAOG,CAOZ.Apreciousmetal-freeelectrolesstechniqueforthedepositionofcopperoncarbonfibers[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2012,43:4194-4199.

[18]YUS,PARKBI,PARKC,etal.RTA-treatedcarbonfiber/coppercore/shellhybridforthermallyconductivecomposites[J].ACSAppliedMaterialsandInterfaces,2014,6(10):7498-7503.

[19]LIJP,QISH,ZHANGMY,etal.ThermalconductivityandelectromagneticshieldingeffectivenessofcompositesbasedonAg-platingcarbonfiberandepoxy[J].JournalofAppliedPolymerScience,2015,doi:10.1002/app.42306.

[20]WANGR,YANGH,WANGJL,etal.Theelectromagneticinterferenceshieldingofsiliconerubberfilledwithnickelcoatedcarbonfiber[J].PolymerTesting,2014,38(9):53-56.

[21] 朱明明, 李衛(wèi). 鍍Cu短碳纖維增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的性能[J]. 特種鑄造及有色合金,2013,33(5):462-465.

ZHUMM,LIW.Electrolessplatingcoppershortcarbonfiberreinforcedcopperbasedcomposites[J].SpecialCastingandNonferrousAlloys,2013,33(5):462-465.

(本文責(zé)編：解 宏)

ConductivityandDampingPropertiesofCopperCoatedCF/EPComposite

ZHAOXiong-wei1，ZANGChong-guang1，JIAOQing-jie，MAQing-kun2

(1StateKeyLaboratoryofExplosiveScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081，China;2ResearchCenterofYuxiIndustriesGroup,NorincoGroup,Nanyang473000,Henan，China)

The effect of different length-diameter ratios of carbon fibers (CF) on damping property of CF/EP composites was investigated. The CF was coated with copper structurally and the copper coated CF (Cu-CF) was verified by SEM. The mechanical，electrical and damping properties of composites were studied. The results show that the copper plating is coated on the surface of CF uniformly; the addition of a little large length-diameter ratio CF can enhance the impact strength of CF/EP composites effectively, while the bending strength decreases; the addition of more small length-diameter ratio CF can also improve the mechanical properties of the composites. In addition, the large length-diameter ratio CF can heighten the conductivity and damping property of composites easily.

carbon fiber；damping property；electrical conductivity；composite

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001412

TB332

： A

： 1001-4381(2017)09-0045-07

爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室自主研究項目(YBKT15-07)；國家自然科學(xué)基金資助項目(11172042)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助課題(20121101110014)

2015-11-18;

：2016-07-27

臧充光(1965-)，女，副教授，從事特種能源防護(hù)材料研究工作，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室(100081)，E-mail:zangchongguang@bit.edu.cn.