張曼寧 鐘智麗 薛兆磊

天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387

碳纖維輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模的特點(diǎn)可滿足其復(fù)合材料比強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等要求。目前碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、體育器械[1-2]、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。但碳纖維表面光滑，不易與環(huán)氧樹脂等材料發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其復(fù)合界面結(jié)合牢度較差。因此，提高碳纖維與環(huán)氧樹脂界面結(jié)合性能受到了諸多學(xué)者的關(guān)注。目前，對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性的主要方法包括等離子體改性法[3]、接枝碳納米管[4-5]、石墨烯[6]、氣相氧化法[7]等，還有部分研究對(duì)樹脂基體進(jìn)行改性[8-11]，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行增韌處理[12]。

氧化石墨烯(GO)表面含有豐富的含氧基團(tuán)，可與碳纖維和環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)[13]，起到連接碳纖維與環(huán)氧樹脂的作用，提高碳纖維織物與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合性。本試驗(yàn)通過在碳纖維織物表面接枝經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH550改性的GO(簡(jiǎn)稱KH-GO)，再采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(VARTM)制備碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料——碳纖維織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并通過力學(xué)性能測(cè)試評(píng)價(jià)碳纖維織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面的結(jié)合效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及設(shè)備

試驗(yàn)所用碳纖維織物為試驗(yàn)室自制的碳纖維層間正交角聯(lián)鎖機(jī)織物，涉及的主要原料和設(shè)備分別如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)原料

表2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2 工藝

1.2.1 碳纖維織物改性

在氧化石墨烯分散原液中加入蒸餾水，稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的氧化石墨烯水溶液；超聲分散后取100 mL的氧化石墨烯水溶液向其中加入1mL KH550并攪拌均勻，在60 ℃環(huán)境下超聲3 h，獲得改性氧化石墨烯處理液；將裁剪好的碳纖維織物(CF)浸入該處理液1 h，取出后放置在85 ℃的烘箱中，1 h后取出備用。

1.2.2 碳纖維束浸漬處理

分別將經(jīng)過氧化石墨烯(GO)和KH-GO處理的碳纖維束剪成一定的長(zhǎng)度備用。將環(huán)氧樹脂和固化劑以100∶30的質(zhì)量比調(diào)配成浸漬液，將經(jīng)過GO和KH-GO處理的碳纖維束放入浸漬液中，浸透后取出, 垂直懸掛24 h固化，得到氧化石墨烯處理浸膠碳纖維束(GO/C)和KH-GO處理的浸膠碳纖維束(KH-GO/C)，將未進(jìn)行任何處理的碳纖維束(N/C)作為對(duì)照樣。

1.2.3 碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的制備

采用VARTM工藝制備碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料。其中，VARTM工藝使用的設(shè)備為組內(nèi)自制。將織物放入VARTM工藝設(shè)備中，開啟真空泵，檢查氣密性后注入調(diào)配好的環(huán)氧樹脂溶液，注滿后將真空袋密封好，常溫固化12 h后取出，得到碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料。

1.2.4 測(cè)試方法

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察GO/C、KH-GO/C及N/C的表面形貌。在Instron3369型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)GO/C、KH-GO/C、N/C及碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，所采用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 力學(xué)測(cè)試及其標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

從圖1 SEM掃描結(jié)果可以看出：未經(jīng)過處理的碳纖維束表面光滑，附著了些許雜質(zhì)，經(jīng)GO處理的碳纖維束上均勻包覆了GO，碳纖維束的表面粗糙度增加，但沉積的GO片層較小；經(jīng)KH-GO處理的碳纖維束表面均勻附著有較大的GO片層，碳纖維束的表面粗糙度進(jìn)一步增加，這有利于后續(xù)碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的制備。

圖1 處理與未處理碳纖維束的SEM照片

硅烷偶聯(lián)劑KH550中的伯氨基能與氧化石墨烯中的羧基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞GO材料的規(guī)整度，從而使KH550與GO片層連接[9]，出現(xiàn)GO片層團(tuán)聚現(xiàn)象，最終附著在碳纖維束表面形成較大的凸起。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

圖2 GO/C、KH-GO/C和N/C試樣的最大拉伸載荷

在制備的GO/C，KH-GO/C和N/C試樣中各取4個(gè)平行試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)拉伸載荷較小時(shí)，GO/C、KH-GO/C和N/C試樣受拉伸作用發(fā)生形變，繼續(xù)增加拉伸載荷達(dá)最大時(shí)，試樣斷裂。由圖2可知，GO/C、KH-GO/C試樣的最大拉伸載荷分別為462.08 N和541.15 N，均強(qiáng)于N/C試樣。這是由于樹脂包覆并固化于碳纖維的表面時(shí)，二者存在結(jié)合界面。當(dāng)受到外力作用時(shí)，樹脂先受力，隨后通過界面?zhèn)鬟f給碳纖維束。未經(jīng)過處理的碳纖維束因表面光滑極易出現(xiàn)滑移脫膠的現(xiàn)象。GO處理可在提高碳纖維束表面粗糙度的同時(shí)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂與碳纖維間的浸透吸附作用，使環(huán)氧樹脂與碳纖維表面較好地結(jié)合。當(dāng)GO/C試樣受到外力作用時(shí)，片狀結(jié)構(gòu)的GO起傳遞和分散作用力的作用，從而能提高GO/C試樣的整體力學(xué)性能。KH-GO/C試樣中，KH550的添加使GO團(tuán)聚成更大的層狀顆粒后黏附在碳纖維束的表面，碳纖維束的粗糙度進(jìn)一步提高，且KH550與環(huán)氧樹脂基團(tuán)反應(yīng)后形成的共價(jià)鍵可緊密連接環(huán)氧樹脂和碳纖維，這有利于增強(qiáng)外力傳遞的均勻性，因此，KH-GO/C試樣的最大拉伸載荷較GO/C試樣大。

圖3為GO/C、KH-GO/C和N/C試樣的最大拉伸載荷位移對(duì)比，其中，柱形表示各試樣4個(gè)平行樣的測(cè)試結(jié)果，折線表示各試樣最大拉伸載荷位移的平均值。通過與N/C試樣對(duì)比可知，GO/C試樣和KH-GO/C試樣的最大拉伸載荷位移分別提高了19.9%和47.4%。這是因?yàn)楫?dāng)受到外力拉伸時(shí)，N/C試樣會(huì)在拉伸過程中出現(xiàn)纖維抽拔現(xiàn)象，而經(jīng)過處理的GO/C和KH-GO/C試樣，其碳纖維束表面的粗糙度因得以提升而與環(huán)氧樹脂結(jié)合得更為牢固，這有利于力的傳遞和分散，最終提高了GO/C試樣和KH-GO/C試樣的力學(xué)性能。

圖3 GO/C、KH-GO/C和N/C試樣的最大拉伸載荷位移

接下來，下文將對(duì)未處理的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料N/C + N/C和經(jīng)KH-GO處理的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料KH-GO/C + KH-GO/C進(jìn)行對(duì)比。

2.2.2 彎曲性能

分別在N/C + N/C和KH-GO/C + KH-GO/C兩種試樣上剪裁5個(gè)平行試樣用于彎曲性能測(cè)試，結(jié)果如表4，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

表4 不同試樣彎曲測(cè)試結(jié)果

由表4可知，與未處理的N/C + N/C試樣相比，KH-GO/C + KH-GO/C試樣的彎曲強(qiáng)度提升了9.9%、彎曲模量下降了15.1%，說明KH-GO的處理能提高碳纖維織物的浸潤(rùn)性，有效提高碳纖維與環(huán)氧樹脂間的界面結(jié)合力，進(jìn)而提升碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的整體強(qiáng)度及韌性。

由圖4可知，隨著彎曲壓力的增加，兩種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料整體發(fā)生彈性形變，但N/C+N/C試樣在彎曲受力中內(nèi)部出現(xiàn)損傷，外部樹脂出現(xiàn)裂紋，而KH-GO/C + KH-GO/C試樣在測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，也沒有造成明顯的塑性變形情況，說明KH-GO有提升碳纖維與環(huán)氧樹脂界面性能的作用。

圖4 兩種試樣彎曲測(cè)試應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.3 層間剪切

在N/C + N/C和KH-GO/C + KH-GO/C兩種碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料試樣中分別剪裁5個(gè)平行試樣用于層間剪切測(cè)試，結(jié)果如表5。

表5 試樣層間剪切測(cè)試結(jié)果

由表5可知，KH-GO/C + KH-GO/C試樣的層間剪切強(qiáng)度比N/C + N/C試樣提高了18.6%。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：隨著載荷的增大，N/C + N/C試樣存在嚴(yán)重的擠壓分層現(xiàn)象，這是因?yàn)閷娱g剪切力由樹脂基體傳遞給碳纖維織物后發(fā)生分散；當(dāng)載荷增加到一定程度時(shí)，碳纖維織物表面與環(huán)氧樹脂結(jié)合最薄弱的地方發(fā)生分離；持續(xù)增大載荷后，碳纖維織物中的紗線發(fā)生斷裂。而KH-GO的加入能提高碳纖維織物與環(huán)氧樹脂的結(jié)合牢度，同時(shí)減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提升碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)碳纖維織物進(jìn)行改性處理，改善了碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料中織物與環(huán)氧樹脂間的界面性能。相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)KH550和GO共同處理的碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別提升了9.9%和18.6%，表明GO的加入提高了碳纖維織物的浸潤(rùn)性及表面粗糙度，硅烷偶聯(lián)劑KH550的加入能在GO處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料中織物與環(huán)氧樹脂間的界面性能。