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第53卷第2 期2024年2 月碳纤维增强环氧体育用复合材料热机械性能研究王枫12（1.南首尔大学研究生院，韩国天安310 2 0;2.黄河科技学院体育学院，河南郑州450 0 0 0）摘要：采用纤维缠绕技术制备了单向UD-CFRP、双向2 D-CFRP以及单向和双向组合UD+2D-CFRP的复合材料，探究碳纤维及其官能团的取向对碳纤维增强聚合物（CFRP)复合材料的热机械性能影响。结果表明，CERP复合材料的力学性能和热机械性能与碳纤维排列方向有关,单一排列的UD-CFRP有更好的力学性能和热机械性能。关键词：碳纤维增强；层间剪切强度；固化度；界面相互作用中图分类号：TQ342.742;TQ33;TB3322文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 351-0 3Study of thermomechanical properties of carbonfiber reinforced epoxy sports composites(1.South Seoul National University Graduate School,Cheonan 31020,South Korea;2.School of Physical Education,Yellow River Institute of Science and Technology,Zhengzhou 450000,China)Abstract:Unidirectional UD-CFRP,bidirectional 2D-CFRP,and unidirectional and bidirectional combina-tion UD+2D-CFRP composites were prepared by fiber winding technique to investigate the effect of theorientation of carbon fibers and their functional groups on the thermo-mechanical properties of carbon fiberreinforced polymer(CFRP)composites.The results show that the mechanical and thermo-mechanicalproperties of the CERP composites are related to the direction of carbon fiber arrangement,and the single-aligned UD-CFRP has better mechanical and thermo-mechanical properties.Key words:carbon fiber reinforcement;interlaminar shear strength;degree of curing;interfacial interac-tions碳纤维具有重量轻、刚度高、抗拉强度高、耐化学性好、耐高温、热膨胀小等优点，在航空航天、能源和运动配件等各种结构应用中具有广阔的应用前景 13。在体育产业中，CFRP复合材料广泛应用于F1等赛车的底盘、悬架和刹车结构、高尔夫球杆轴、网球拍、滑雪板以及自行车车架 46 。碳纤维表面由大量的酚基、羟基、羰基等氧基官能团组成,这些官能团是碳纤维与聚合物相互作用的原因 7 9因此,碳纤维的取向及其官能团对 CFRP 的性能有重要影响。本文制备了不同碳纤维取向的CFRP，比较不同碳纤维取向CFRP的力学性能和热性能。1实验部分1.1 材料与仪器T-300单向（UD）和双向（2 D）碳纤维、双酚A环氧树脂LY556、三乙烯四胺（TETA)均为工业品。5967型万能Instron实验机;PerkinElmerDMA8000仪器。1.2CFRP复合材料的制备用环氧树脂和固化剂（12.5%的环氧树脂）的溶液浸渍碳纤维。分别在UD碳纤维预浸料上和2 D碳纤维预浸收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 22修改稿日期：2 0 2 3-0 8-16基金项目：河南省教育科学规划课题（2 0 2 3YB0058）作者简介：王枫（197 7），男（蒙族），河南郑州人，黄河科技学院讲师，博士在读（南首尔大学），师从姜承爱教授。电话：18 2 36 7 7 196 5,Email:应用化工Applied Chemical IndustryWANG Feng2料上切下10 层和切下5层，布置在厚度为2 mm的模具中。模具保持在液压板上，施加6.8 9MPa压力。在9 0 下热固化2 h，在12 0 下后固化1h。得到UD-CFRP 和2 D-CFRP。对于（UD+2D-CFRP复合材料,在模具中交替布置一种2 D碳纤维和UD碳纤维两种预浸料（共7层)。固化和后固化过程如前所述进行。得到(UD+2D)-CFRP复合材料。根据ASTMD3171,所有样品都是用CFRP复合材料中碳纤维含量为6 0%的材料制备的。在UD-CFRP复合材料中,10 0%的碳纤维沿一个方向排列,或者所有的碳纤维沿0 角排列。在(UD+2D)-CFRP复合材料中,7 5%的碳纤维在一个方向上排列,2 5%的碳纤维垂直于它,而在2 D-CFRP复合材料中,50%的碳纤维在一个方向上排列,其余部分垂直于剩余的碳纤维（0/90）。1.3性能表征1.3.1力学性能测试按ASTMD790标准,测试了各样品的力学性能。按ASTMD2344标准,用万能实验机的短梁技术测量层间剪切强度（ILSS）。1.3.2动态热机械性能测试按ASTMD7028-07Vol.53 No.2Feb.2024352标准制备样品。根据DMA数据计算了材料的储能模数、tan增量和固化度。采用长宽厚尺寸为12.5mm5.5mm2mm的碳纤维复合材料试件，在35 2 0 0 的温度范围内,以2/min的双悬臂梁模式,在1Hz的振动频率下进行动态力学研究。2结果与讨论2.1力学性能分析实验研究了碳纤维取向对碳纤维增强复合材料弯曲力学性能的影响,结果见表1。表1不同碳纤维排列CFRP复合材料的力学性能测试Table 1 Mechanical properties tests ofdifferent carbon fiber alignments弯曲强度/弯曲模量/样品MPa2D-CFRP787.03UD+2D-CFRP925.66UD-CFRP1 009.15由表1可知,UD-CFRP具有最大的弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度，而2 D材料最小。这可能与纤维材料排列方向以及纤维与环氧基之间的界面粘结有关 10 。在UD-CFRP复合材料中，所有纤维在一个方向上对齐，在（UD+2D)-CFRP复合材料中,7 5%的纤维在一个方向上取向,而在2 D-CFRP中,50%的纤维在纤维轴的垂直方向上对齐。同一方向的纤维丝束排列增加了其与环氧树脂的界面结合。因此，（UD+2D)-CFRP复合材料的弯曲强度小于UDCFRP复合材料的弯曲强度。2 D-CFRP复合材料强度下降的原因有很多,如纤维与基质的相互作用、承载纤维的数量、纤维取向引起的孔洞和缺陷 1-3O2.2动态机械性能分析用动态力学方法研究了不同碳纤维取向的碳纤维复合材料的储能弹性系数和阻尼系数（tans）。图1和图2 显示了随着温度增加的存储模数和损耗角正切的变化。300a250b200C15010050040图1不同碳纤维排列CFRP复合材料在DMA研究中的存储模量变化Fig.1 Storage modulus variation during DMA study ofCFRP composite with different carbon fiber alignments由图1可知,UD-CFRP的储能模数最高（在40 时）,2 D-CFRP的储能模数最低。因此,UD-应用化工CFRP具有最高的储能能力，这表明UD-CFRP具有优越的承载性能 14。然而，这种相互作用随着CFRP中纤维取向的改变而显著改变,因此(UD+2D)-CFRP和2 DCFRP的储能模量低于UD-CFRP。0.5a.2D-UD-CFRPb.(UD+2D)-CFRP0.4C.UD-CFRP0.20.1层间剪切0.0CPa强度/MPa51.2446.3768.4452.4285.3453.84.a.UD-CFRPb.(UD+2D)-CFRPC.2D-CFRP80120温度/第53卷ab90120温度/图2 不同碳纤维排列CFRP复合材料在DMA研究中的损耗角正切值变化Fig.2Tan delta variation during DMA study of CFRPcomposite with different carbon fiber alignmentsCFRP复合材料不仅具有高弹性性能,而且具有高能量吸收能力。阻尼曲线反映了CFRP复合材料的能量吸收能力，这也是衡量材料性能的重要指标 15。由图2 可知,UD-CFRP复合材料的损耗角正切值-温度曲线的最低峰远低于其他复合材料，代表了最高的能量吸收能力 16 UD-CFRP的最大储能模量值和最高能量吸收能力归因于碳纤维单向取向导致的纤维与基质的强烈相互作用。由此可知,碳纤维官能团的排列在聚合物基质的结合中起着至关重要的作用,并且在一个方向上排列的官能团表现出比其他方向上更强的相互作用。2.3热学性能分析纤维-基体相互作用对CFRP复合材料的T。有显著影响 17 。T，可通过损耗角正切值-温度曲线计算得到 18 。见图3,UD-CFRP复合材料的T，最大，2D-CFRP复合材料的T。最小。132131130?1291281271261252D-UD-CFRP(UD+2D)-CFRPUD-CFRP160200150图3不同碳纤维排列方式下CFRP的固化程度和T_变化Fig.3Degree of curing in CFRP with different carbonfiber alignment and T,variation不同碳纤维排列方式的CFRP的存储模量和tan delta 的提高是由于界面附着力增强，通过计算固化度()进一步证实了这一点。利用DMA法计算缠绕度,可以研究纤维官能团对 CFRP复合材料180第2 期的贡献。采用储存模量值计算。公式为：n=E/6RT式中,E为最大储能模量;R通用气体常数；T为E值时的绝对温度。固化度为CFRP复合材料中桥接作用的量化 19)。见图4,UD-CFRP的固化度最大，而（UD+2D-CFRP和2 D-CFRP的固化度逐渐降低。这表明UD-CFRP的纤维丝束间的交联程度最高，（UD+2D)-CFRP 和2 D-CFRP逐渐降低。这也验证了UD-CFRP中较高的交联程度支持最高的存储模量和T。0.700.650.600.550.50固0.400.350.302D-UD-CFRP(UD+2D)-CFRPUD-CFRP图4不同碳纤维排列方式下CFRP的固化程度和T。变化Fig.4T,Variation in CFRP with differentcarbon fiber alignment以上结果可以用碳纤维官能团的排列来解释。UD-CFRP表面的官能团呈单向取向,与环氧聚合物形成较强的键合/交联。在2 D-CFRP复合材料中，碳纤维的官能团在相互垂直的两个方向上取向，从而产生空间位阻。这种位阻导致环氧聚合物的有效交联降低 2 0 。这也说明了交联的程度不仅与热性能有关,而且与高温下的机械性能有关。3结论探讨了碳纤维及其官能团的取向对CFRP复合材料相关性能的影响。（1)不同碳纤维排列方式下CFRP的力学性能研究表明,UD-CFRP的力学性能更优越。这是由于碳纤维的排列和表面粗糙度，表现出强烈的界面结合。（2)不同碳纤维排列方式下CFRP的DMA研究表明,UD-CFRP的存储模量、T。和固化程度最大，这是由于UD碳纤维中存在排列的官能团,碳纤维与环氧聚合物之间存在强相互作用，从而提高了碳纤维的力学性能和热性能。参考文献：【1 杨璐,孟迎,赵亚维，等.碳纤维研究进展及市场现状王枫：碳纤维增强环氧体育用复合材料热机械性能研究353J.合成纤维,2 0 2 3,52(6):32-36,43.2李一帆,苏纪宏，周雄，等.不同沥青改性硬碳材料的性能 J.电池,2 0 2 3,53(3):2 52-2 56.3 段文，孔祥鑫.碳纤维复合材料在汽车轻量化领域中的应用进展 J.汽车零部件,2 0 2 3（4）：8 4-8 7.4李娜.碳纤维/环氧复合材料特性及对竞技体育器材影响 J.粘接,2 0 2 3,50(3):6 9-7 2.5张卫东.用于运动器材表面磨损防护的纹理化杂化纳米复合涂料的研究 J.应用化工，2 0 2 3,52（6）：17 6 1-1763,1769.6余莎,邢彦军.碳纤维增强塑料对体育器材性能的优化作用 J.塑料助剂,2 0 2 2（6）：51-54.7 毕一凡，程宝发，朱祥东.聚酰胺6/氧化石墨烯改性碳纤维复合材料机械性能与导热性能研究 J.复合材料科学与工程,2 0 2 3（3）：34-38,8 2.8 曹晓晨，原梅妮，丁聪明.超级电容器用NiCo-LDH电极材料研究进展 J.电池，2 0 2 3,53（3）：342-346.9季心怡，余志维，王维.碳纤维复合材料界面调控方式研究进展 J.天津化工,2 0 2 2,36(6):1-6.10陈宇迪,邹涛,赵瑾，等.碳纤维硅胶复合材料中碳纤维排列结构与导热性能研究 J.分析仪器,2 0 2 0（5）：111-116.11徐铭涛,嵇宇,仲越，等.碳纤维/环氧树脂基复合材料增韧改性研究进展J.纺织学报，2 0 2 2,43（9)：203-210.12景文闻.纤维增强环氧树脂复合涂层的抗冲蚀性能及机制研究 D.赣州：江西理工大学,2 0 2 2.13李晓晔，杨威，张俊荣.两种成型工艺碳纤维/环氧树脂复合材料的拉压力学性能与破坏机制 J.流体测量与控制,2 0 2 2,3(5):13-16.14许江.氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂体育复合材料及性能试验 J.塑料助剂,2 0 2 2（5）:6-10,31.15刘华侨,顾培霜,朱家顺，等.DMA与RPA对胶料动态性能研究相关性分析 J.橡塑技术与装备,2 0 17,43(13):53-56.【16 高智勇.连续碳纤维预处理工艺及其增强尼龙热塑性复合材料制备与性能研究 D.济南：山东大学,2 0 2 2.17邢世强,董勋,张光华，等.抗水性聚丙烯酸酯类土壤固化剂的制备及性能 J.应用化工,2 0 2 2,51（10)：2875-2879.18唐亮,汪登，屈建，等.温度对碳纤维增强复合材料力学行为影响的研究进展 J.冶金与材料,2 0 2 2,42(4):56-58.19张成林.碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料固化动力学及其层合板性能的研究 D.淄博：山东理工大学,2 0 2 1.20宋园园.硅橡胶/纤维复合材料力学性能及其吸能机制研究 D.沈阳：沈阳理工大学,2 0 2 2.