一种装饰用碳纤维复合材料锻造成型新工艺及拉伸性能研究_乔宁.pdf

材料科技应用2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.015Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2021-12-21;修回日期:2023-01-30作者简介:乔宁(1982-)，女，硕士，讲师，主要从事室内装饰材料等研究;E-mail:qiaoni182 sina com。引文格式:乔宁 一种装饰用碳纤维复合材料锻造成型新工艺及拉伸性能研究 J 粘接，2023，50(2):61-64一种装饰用碳纤维复合材料锻造成型新工艺及拉伸性能研究乔宁(铜川职业技术学院，陕西 铜川727000)摘要:为了提升室内设计中碳纤维复合材料的拉伸性能，提出一种锻造成型的新工艺。研究了模压压力、加压温度、固化温度、保温时间等参数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响。结果表明，随着模压压力、加压温度、固化温度、保温时间增加，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度先增大后减小;适宜的碳纤维复合材料的成型工艺参数为:模压压力为 10 MPa、加压温度 110、固化温度 140、保温时间 30 min;碳纤维复合材料拉伸过程中主要有3 种破坏形式:纤维拔出、树脂断裂和内聚破坏，最佳工艺参数下碳纤维复合材料的断裂方式为内聚破坏。关键词:碳纤维;复合材料;成型工艺;拉伸性能中图分类号:TQ327 3文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0061-05Study on a new forging process and tensile propertiesof carbon fiber composites for decorationQIAO Ning(Tongchuan Vocational and Technical College，Tongchuan 727000，Shaanxi China)Abstract:In order to improve the tensile properties of carbon fiber composites in interior design，the effects of mold-ing pressure，pressurization temperature，curing temperature and holding time on the tensile properties of carbon fi-ber composites were studied The results showed that with the increase of molding pressure，pressure temperature，curing temperature and holding time，the tensile strength and standardized tensile strength of carbon fiber compositesfirst increased and then decreased The appropriate molding process parameters of carbon fiber composites were:molding pressure of 10 MPa，pressurization temperature of 110，curing temperature of 140，holding time of30 min There were three main failure modes in the tensile process of carbon fiber composites:fiber pull-out，resinfracture and cohesive failure The fracture mode of carbon fiber composites under the best process parameters wascohesive failureKey words:carbon fiber;compound material;molding process;tensile property碳纤维复合材料由于密度低、比强度高和优良的耐腐蚀性能等而被广泛应用于室内设计、国防工业、风力发电、体育器械等领域1，尤其是随着现代材料产业的快速升级和人们对物质品质要求的逐步提高，将碳纤维应用于物质生活的理念已逐步成形，并被越来越多的消费者所认可，典型表现为室内设计中要考虑应用高综合性能的碳纤维复合材料。虽然现在制备碳纤维复合材料的工艺较多(真空热压罐工艺、层压成型工艺、缠绕工艺、拉挤成型工艺等)2;这些工艺虽然也能制备出性能较高的碳纤16材料科技应用维复合材料，但是同时存在设备精度要求高、工艺复杂和成本高等问题3。因此，尝试采用新型锻造成型的方法，研究具体成型工艺参数对碳纤维复合材料力学性能的影响，目前关于锻造碳纤维复合材料方面的研究报道较少4-5，具体影响机制不清楚。本文以锻造成型碳纤维复合材料为例，研究模压压力、加压温度、固化温度、保温时间等参数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，这将有助于掌握成型工艺参数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响规律，并推动高性能碳纤维复合材料的开发及其在室内设计等领域的应用。1材料与方法1 1试验材料实验原料包括上海石化集团提供的 SCF 12K碳纤维，单丝直径7 m、线密度0 79 g/m、拉伸强度3 540 MPa、拉伸模量235 GPa;江阴万千化学品有限公司提供的 NP 128 型液态双酚 A 型树脂，室温黏度为 13 500 mPas、环氧当量 187 g/eq。1 2成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺示意图如图 1，包括预热、铺料过程、凝胶过程、固化过程和脱模过程。预热过程中使用 dea944 脱模剂，将模腔预热至88、表面镀铬;制备预浸料并称量后进行铺料，面积为85%的投影面积;完成后进行凝胶处理，控制模压压力、加压温度、固化温度、保温时间等参数，固化后进行脱模处理。其中，模压压力为6 14 MPa，间隔2 MPa 取点;加压温度为 100 130，固化温度为130 160;固化保温时间设定为 15 35 min;预浸料长度为50 mm。图 1碳纤维复合材料的成型工艺Fig 1Forming process of carbon fiber composites1 3测试方法将不同成型工艺下的碳纤维复合材料试样(140 mm 140 mm 2 mm)加 工 成 标 准 样 条(80 mm 10 mm 2 mm)，根据 ASTM D3039聚合物基质复合材料的物理力学试验性能测试方法，在 ZWICKROLL 万能拉伸机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速率为 2 mm/min，结果取 3 组试样平均值，标准化拉伸强度 nor6 可以表示:nor=sc50VCF(1)式中:sc为实测拉伸强度;VCF为复合材料中碳纤维的体积分数。拉断后的试样采用 JSM 6400 型扫描电子显微镜进行断口形貌观察。2结果与分析2 1模压压力图 2 为模压压力对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，模压压力为 6 14 MPa。(a)应力 应变曲线(b)拉伸强度图 2模压压力对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig 2Effect of molding pressure on tensileproperties of carbon fiber composites从图 2 可以看出，随着模压压力从 6 MPa 增至14 MPa，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，标准化拉伸强度随着模压压力的变化趋势与拉伸强度相同，在模压压力为10 MPa 时碳纤维复合材料取得最大的拉伸强度和标准化拉伸强度。这主要是因为在较小的模压压力下(10 MPa)，模压过程中树脂的流动会由于模压压力较小而减弱，造成局部区域会出现树脂贫乏和浸润不透的线性7;在较大的模压压力下(10 MPa)，模压过程中过大的模压压力会造成树脂流动扩散性变小，对树脂和纤维的结合造成不利影响，并在局部产生树脂富集区，内部结合力下降而造成拉伸性能变小8。整体而言，当模压压力为10 MPa 时，碳纤维复合材料具有相对较好的拉伸性能。2 2加压温度图 3 为加压温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，加压温度为 100 130。26材料科技应用(a)应力 应变曲线(b)拉伸强度图 3加压温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig 3Effect of pressure temperature on tensileproperties of carbon fiber composites随着加压温度从 100 增至 130，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，在加压温度为110 时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值，继续升高加压温度至130 时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小至 238 MPa。从加压温度对碳纤维复合材料力学性能的影响上可见，加压温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响较大，如果加压温度过大，复合材料中的树脂会出现局部交联作用，影响后续的树脂流动而造成局部富集，拉伸过程中断裂会优先在聚集区断裂9;但是加压温度也不能太小，如果加压温度过小，树脂凝胶时间会延长，局部会产生树脂缺陷，对拉伸性能也会造成不利影响。整体而言，碳纤维复合材料适宜的加压温度为110。2 3固化温度图 4 为固化温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，固化温度为 130 160。(a)应力 应变曲线(b)拉伸强度图 4固化温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig 4Effect of curing temperature on tensileproperties of carbon fiber composites随着固化温度从 130 增至 160，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在固化温度为 140 时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值，继续升高固化温度至 160 时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小。从固化温度对碳纤维复合材料力学性能的影响上可见，固化温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响较大，如果固化温度过大，复合材料中会出现过固化现象，影响纤维的层间结合力，复合材料的拉伸性能会减小;但是固化温度也不能太小，如果固化温度过小，树脂的固化反应不充分会造成树脂与纤维的交联度下降 10，浸润性能造成影响的同时结合力降低，拉伸性能减小。整体而言，碳纤维复合材料适宜的固化温度为140。2 4保温时间图 5 为保温时间对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，保温时间为 15 35 min。(b)拉伸强度(b)拉伸强度图 5保温时间对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig 5Effect of holding time on tensile propertiesof carbon fiber composites36材料科技应用随着保温时间从 15 min 增至 35 min，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在保温时间为 30 min 时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值(332 MPa)，继续延长保温时间至35 min 时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小。从保温时间对碳纤维复合材料力学性能的影响上可见，保温时间对碳纤维复合材料拉伸性能的影响较大，如果保温时间较短，固化过程中的树脂与纤维的固化不充分11，结合力下降而造成拉伸强度减小，而如果保温时间过程，纤维与树脂间又会发生过固化现象12，造成复合材料拉伸性能降低。整体而言，碳纤维复合材料适宜的保温时间为 30 min。2 5断口形貌图 6 为碳纤维复合材料的典型拉伸断口形貌。a、b 纤维拔出;c、d 树脂断裂;e、f 内聚失效图 6 碳纤维复合材料的典型拉伸断口形貌Fig 6Typical tensile fracture morphologyof carbon fiber composites通过对不同成形工艺参数下的碳纤维复合材料的断口进行观察，可以发现碳纤维复合材料主要有3 种典型断裂特征，第 1 种为纤维拔出，即在拉伸断口中可以发现参差不齐的断丝，这些碳纤维与树脂的结合力较差，局部还存在孔洞，这主要与树脂贫乏、树脂结合力较差等影响有关13，如在碳纤维模压成型过程中的压力过小、固化温度和保温时间等控制不当造成树脂流动性变差等会造成纤维拔出的断裂失效模型，典型形貌如图 6(a)和图 6(b)所示。第 2 种为树脂断裂模型，可见碳纤维复合材料的断面较为平整，几乎观察不到参差不齐的纤维断裂形貌，这主要是因为碳纤维复合材料在拉伸过程中无法有效传递树脂与纤维的载荷，造成外加荷载超过树脂极限拉伸强度时发生断裂，如果再模压成型过程中出现工艺参数控制不当，会造成树脂富集、扩散不充分的现象，从而出现树脂断裂失效14，典型形貌如图 6(c)和图 6(d)所示。第 3 种断裂形式为内聚失效模式，其典型特征为碳纤维复合材料的拉伸断口中既没有大量纤维拔出，也没有树脂平断现象，在外加载荷的过程中，由于复合材料内部没有树脂贫乏区或者富集区，应力可以在纤维与树脂间有效传递，二者可以互相发挥作用而使得复合材料在较高的应力下才能断裂15，此时的断裂模式为内聚失效，当模压成型工艺参数控制得当时会出现这种断裂模式，如模压压力为 10 MPa、加压温度为 110、固化温度为140、保温时间为30 min，典型形貌如图 6(e)和图 6(f)所示。3结语(1)随着模压压力从 6 MPa 增至 14 MPa，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，标准化拉伸强度随着模压压力的变化趋势与拉伸强度相同，在模压压力为 10 MPa 时碳纤维复合材料取得最大的拉伸强度和标准化拉伸强度;(2)随着加压温度从 100 增至 130，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，在加压温度为 110 时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值，继续升高加压温度至 130 时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小至 238 MPa;(3)随着固化温度从 130 增至 160，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在固化温度为 140 时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值为，继续升高固化温度至160 时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小;(4)随着保温时间从 15 min 增至 35 min，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在保温时间为 30 min 时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值。【参考文献】1 董静 碳纤维织物在室内空间中的设计与性能研究 J 合成材料老化与应用，2020，49(3):93-95 2 苏亚欣 纤维复合材料在土木建筑工程中的应用研究 J 合成材料老化与应用，2022，51(2):154-156 3 杨磊，韩玲 碳纤维复合材料体育器材装备工艺优化与性能 J 粘接，2022，49(3):40-43 4 贾耀雄，许良，敖清阳，等 不同热氧环境对 T800 碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响J 材料工程，2022，50(4):156-161 5 郝亚暾碳纤维/玄武岩纤维/聚丙烯复合材料力学性能的研究 J 化学推进剂与高分子材料，2022，20(2):60-63 6 覃尹星，姜世强，高斌，等 缺陷类型对纤维复合材料力学性能的影响 J 西南科技大学学报，2022，37(1):37-42 7 杨磊，韩玲 碳纤维复合材料体育器材装备工艺优化与性能 J 粘接，2022，49(3):40-43 8 龙兵，高双胜，曹霞 碳纤维缠绕复合材料力学性能试验研究 J 弹箭与制导学报，2022，42(1):9-12(下转第 82 页)46材料科技应用由表 3 可知，在 7 d 时，试件 1 的塌落度值最大，达到 107 mm，说明该试件在试验初期已出现较大塌落度;当处于试验 28 d 时，试件 1 的塌落度达到 132 mm，依然处于最大塌落度值。针对添加聚丙烯纤维的混凝土试件，其塌落度均保持较低水平，其中聚丙烯纤维含量为 0 10%的试件 3 塌落度最高仅有 41 mm，说明添加聚丙烯纤维后可以有效防止混凝土出现塌落现象。3结语研究聚丙烯纤维混凝土纤维增强作用机理，将不同含量的网状聚丙烯纤维添加至混凝土中进行试验，并对比未添加聚丙烯纤维的混凝土试件，得出添加聚丙烯纤维后对混凝土各方面的影响。在未来研究阶段，可利用当前试验结果继续进行优化试验，使添加聚丙烯纤维的混凝土应用效果更强。【参考文献】1 安宁，晏长根，王亚冲，等 聚丙烯纤维加筋黄土抗侵蚀性能试验研究 J 岩土力学，2021，42(2):501-510 2 路东，张丽哲，季涛 基于有限元的不同聚丙烯纤维掺量的纤维增强混凝土抗裂性能研究 J 硅酸盐通报，2020，39(10):3191-3195 3 乔雪涛，王朋，闫存富，等 钢 聚丙烯纤维增强人造花岗岩复合材料的制备与性能J 复合材料学报，2020，37(8):1823-1831 4 侯永强，尹升华，赵国亮，等 聚丙烯纤维增强尾砂胶结充填体力学及流动性能研究J 材料导报，2021，35(19):19030-19035 5 卢浩，晏长根，贾卓龙，等 聚丙烯纤维加筋黄土的抗剪强度和崩解特性J 交通运输工程学报，2021，21(2):82-92 6 刘新荣，陈鹏，邓志云，等 聚丙烯纤维-钢筋/混凝土管节受力性能试验J 复合材料学报，2021，38(12):4349-4361 7 单景松，刘建，王敏，等 聚丙烯纤维透水水泥混凝土受力性能研究 J 中外公路，2020，40(6):276-280 8 梁宁慧，游秀菲，曹郭俊，等 基于机器学习的高温后聚丙烯纤维混凝土强度预测J 硅酸盐通报，2021，40(2):455-464 9 栗培龙，柳玉，高朋，等 聚丙烯纤维增强的电石渣稳定土试验研究 J 公路，2021，66(3):258-263 10 刘纪，黄丽平，李秀君，等 聚丙烯纤维对高寒地区水稳基层冷再生混合料性能的影响 J 上海理工大学学报，2021，43(5):460-467 11 姚秀鹏，韩阳，沈雷，等 高温后聚丙烯纤维增强水泥基复合材料导热的多尺度方法J 复合材料学报，2021，38(10):3531-3542 12 苏强，王桦，黄金坤，等 玄武岩 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