何棟 唐婷

摘要：通過微波固化技術(shù)針對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)，采用力學(xué)性能測(cè)試、紅外光譜分析、電鏡掃描、CT掃描對(duì)熱固化與微波固化試樣的力學(xué)性能、微細(xì)現(xiàn)形態(tài)做了比較分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于溫度平臺(tái)監(jiān)控、功率不斷增加的微波固化反應(yīng)速率顯著提高，周期也明顯縮短了大約60%;基于力學(xué)性能角度，微波固化與熱固化試樣的拉伸強(qiáng)度與層剪強(qiáng)度人體持平，但是力學(xué)性能分散度相對(duì)偏低，離散系數(shù)較小，碳纖維表層帶有大量樹脂基體;基于電鏡與CT掃描分析，微波固化可更有效控制試樣孔隙率，以確保試樣質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：微波固化技術(shù);碳纖維;環(huán)氧樹脂;復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TB332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）11-0067-04

碳纖維復(fù)合材料具有其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即比強(qiáng)度、比模量、耐熱性、耐腐蝕性良好，得以在化工與航空航天領(lǐng)域備受青睞。當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料的固化方式依舊是熱固化，周期長(zhǎng)、耗能大、成本高等現(xiàn)象十分突出。但微波固化技術(shù)是新型復(fù)合材料固化方式，加熱速度快、效率高、均衡性好、節(jié)能環(huán)保，可在很大程度上彌補(bǔ)熱固化方式的缺陷。因此，基于微波固化技術(shù)開展了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試驗(yàn)分析。

1微波固化機(jī)理

針對(duì)微波加速反應(yīng)機(jī)理，研究持兩種不同觀點(diǎn)，即熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)指出微波在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用只屬于加熱方式，主要是受微波影響，反應(yīng)機(jī)理溫度上升以加快了速度。非熱效應(yīng)則來源于微波輻射場(chǎng)在離子與極性分子中的洛侖磁力作用，基于微波作用的有機(jī)反應(yīng)改變動(dòng)力學(xué)，降低活化能。

微波固化與熱固化不同，是極化介質(zhì)于電磁場(chǎng)的介質(zhì)耗能可促使微波轉(zhuǎn)變成材料熱能，以加快速度反應(yīng)，快速固化復(fù)合材料?；谖⒉ㄝ椛涞膹?fù)合材料所汲取能量，即：

P=2πfδ₁δ（t）e²（1）

P代表能量;f代表輻射頻率，單位為Hz;δ₁代表自由空間電容率，單位為F/m;8（t）代表介電損耗因子;e代表電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/m。

通過公式（1）可以看出，隨著介電損耗因子增大，微波汲取能量的能力逐漸增強(qiáng)。由于環(huán)氧樹脂介電損耗因子較大，利用微波固化可均衡化樹脂受熱，并加快固化速度，所以環(huán)氧樹脂復(fù)合材料微波固化一直都備受關(guān)注。微波固化與熱固化的特性對(duì)比分析具體如表1所示。

2實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1材料

雙酚A型環(huán)氧樹脂，值為0.48-0.54mol/100g，當(dāng)量為185-210g/mol，化學(xué)純;TDE-85環(huán)氧樹脂，化學(xué)純;4，4′二氨基二苯基甲烷，化學(xué)純;T700碳纖維，性能高。

2.2設(shè)備

自制微波固化裝置頻率為2.45GHz，額定輸出功率為700W;美國(guó)Instron公司生產(chǎn)的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī);比利時(shí)SkyScan公司生產(chǎn)的CT掃描系統(tǒng);日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡。

2.3試樣

基于單環(huán)濕法纏繞成型工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料NOL環(huán)。根據(jù)樹脂配置比例制備膠液，將其置于高溫浸膠槽內(nèi)，通過數(shù)控纏繞機(jī)成型，NOL環(huán)試樣纖維體積分?jǐn)?shù)即（60+1）%。由于微波固化是利用微波加熱負(fù)載，因此選用聚四氟乙烯模具（PTFE）纏繞制備NOL環(huán)試樣。試樣尺寸具體如表2所示。NOL環(huán)試樣具體如圖1所示。

利用微波固化與熱固化方式分別生成NOL環(huán)試樣，其中，固化溫度一致，即110℃。熱固化試驗(yàn)以電烘箱為載體開展，固化制度即110℃/4h，溫度上升速率即3℃/min。微波固化以半球形紅外控溫微波固化優(yōu)化裝置為輔助開展試驗(yàn)，固化時(shí)間控制在100min，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料固化工藝具體如圖2所示。

2.4性能測(cè)試

紅外光譜：通過傅里葉變換紅外光譜儀開展，選擇HBr壓片法，范圍控制在4000-400cm^-1，分辨率控制為4cm^-1;拉伸強(qiáng)度：按照標(biāo)準(zhǔn)體系GB/T1458-2008，通過電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，速度控制在3mm/min;層剪強(qiáng)度：按照標(biāo)準(zhǔn)體系GB/T1458-2008，通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，加載速度為2mm/min;CT掃描：選用微觀CT掃描體系，電壓為59kV，電流為167uA，分辨率為0.25um，旋轉(zhuǎn)角度為180°，增量為0.25°，在圖像重構(gòu)之后，通過分析獲得孔隙率;電鏡掃描：選擇電鏡掃描分析試樣微觀形態(tài)特征，斷面則利用真空噴金方式加以處理。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1紅外光譜分析

微波固化產(chǎn)物與熱固化產(chǎn)物的紅外光譜圖大致相同，具體如圖3所示。

圖中曲線1為熱固化產(chǎn)物紅外光譜圖;曲線2為微波固化產(chǎn)物紅外光譜圖。其中，羥基特征吸收峰在3423cm^-1位置處;環(huán)氧基團(tuán)特征吸收峰在916cm^-1位置處。兩種固化方式下產(chǎn)物紅外光譜圖大體一致，并未出現(xiàn)新型吸收峰，這就代表，微波固化與熱固化方式下的產(chǎn)物特征基團(tuán)相同，由此可知，微波固化方式在環(huán)氧樹脂體系固化中并沒有引發(fā)新化學(xué)反應(yīng)，并且兩種方式產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同。

3.2力學(xué)性能分析

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果具體如表3所示。

從表3中可以看出，不同固化方式試樣的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、層剪強(qiáng)度水平相當(dāng)。這就代表縮短周期的前提條件下，微波固化產(chǎn)物與熱固化產(chǎn)物性能大體相同，力學(xué)性能離散系數(shù)相對(duì)偏小。通過分析得知，微波固化方式的體加熱方式比較獨(dú)特，可均勻化固化，在固化時(shí)，試樣的厚度不同位置的溫度差異幾乎可以忽視，環(huán)氧樹脂反應(yīng)均衡性更強(qiáng)，以此使得力學(xué)性能離散程度明顯下降。此外，微波固化工藝還具備良好的溫度控制水平與功率逐漸增加優(yōu)勢(shì)，促使碳纖維復(fù)合材料初始溫度上升速度有所下降，從而有效減慢了此時(shí)環(huán)氧樹脂反應(yīng)速度，控制了反應(yīng)時(shí)材料孔隙膨脹速度，進(jìn)而獲得了性能良好的固化產(chǎn)物。

3.3CT掃描分析

基于重構(gòu)掃描圖像，獲取兩種固化方式試樣孔隙率，具體如表4所示。

分析可知，微波固化方式下NOL環(huán)試樣孔隙形態(tài)與熱固化方式存在顯著差異，其孔隙形狀主要為圓形或者橢圓形，而熱固化方式試樣孔隙形狀則為細(xì)條形。沿著垂直于纖維方向，兩種方式下試樣孔隙都逐漸變大。微波固化方式下試樣均孔隙率相對(duì)偏低，這主要是由于微波固化工藝降低了碳纖維復(fù)合材料固化反應(yīng)初始溫度上升速度，在反應(yīng)時(shí)抑制了孔隙擴(kuò)大趨勢(shì)，以此使得微波固化試樣孔隙率明顯下降，這也證明了微波固化方式下碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料產(chǎn)物的性能與熱固化方式大致相同的結(jié)論。

3.4電鏡掃描分析

在微波固化方式下碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的樹脂基體與纖維粘接都明顯優(yōu)于熱固化方式。熱固化時(shí)材料多數(shù)纖維的表層比較光滑，粘接的環(huán)氧樹脂相對(duì)很少，但是，微波固化時(shí)材料多數(shù)纖維的表層帶有樹脂基體，這就證明微波固化方式可有效改善纖維一基體表層的粘接性。雖然微波固化方式下材料纖維一基體表層界面情況良好，但是因?yàn)槠淇紫堵时容^大，因此層剪強(qiáng)度依舊相對(duì)不足。

4結(jié)語

綜上所述，微波固化技術(shù)不同于熱固化技術(shù)相關(guān)機(jī)理，通過試驗(yàn)對(duì)比分析兩種固化工藝下的力學(xué)性能與微細(xì)觀形態(tài)，得知，基于溫度平臺(tái)監(jiān)控、功率不斷增加的微波固化反應(yīng)速率顯著提高，周期也明顯縮短了大約60%;基于力學(xué)性能角度，微波固化與熱固化試樣的拉伸強(qiáng)度與層剪強(qiáng)度大體持平，但是力學(xué)性能分散度相對(duì)偏低，離散系數(shù)較小;基于電鏡與CT掃描分析，微波固化使得碳纖維表層帶有大量樹脂基體，且能更有效控制地試樣孔隙率，從而確保產(chǎn)物質(zhì)量。