磨碎碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能研究

1、磨碎碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能研究牛牧童,吳偉端,陳名名(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州362011摘要:利用兩種不同的磨碎碳纖維粉體(CFP 填充環(huán)氧樹(shù)脂(EP ,通過(guò)熔融共混制備了EP/CFP 復(fù)合材料。研究了CFP 含量、長(zhǎng)度與復(fù)合材料導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能的關(guān)系,并考察了材料斷口形貌。研究表明:P -100型CFP 填充的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),EP/CFP 材料的體積電阻率為1134×106cm ;拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較EP 分別提高了124%、186%、9817%和6617%,同時(shí)材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。關(guān)鍵詞:磨碎碳纖維;環(huán)氧樹(shù)脂

2、;導(dǎo)電性能;力學(xué)性能中圖分類號(hào):T Q327文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-5770(200608-0054-03Study of Property of Epoxy R esin R einforced by C arbon Fiber PowderNI U Mu 2tong ,W U Wei 2duan ,CHE N Ming 2ming(C ollege of Material Sci 1&Eng 1,Huaqiao University ,Quanzhou 362011,China Abatract :E poxy resin (EP /carbon fiber powde

3、r (CFP com posites were prepared by melt blending EP with tw o types of CFP 1The relationship of the electrical ,mechanical and thermal properties of the EP/CFP com posites ,as well as the fracture surfaces of the com posite ,was studied 1The result showed that when the mass percentaage of P 2100CFP

4、 was 25%,the v olume resistivity of the com posite was 1134×106?cm ,while the tensile strength ,tensile elastic m odulus ,im pact strength and bending strength increased by 124%,186%,9817%and 6617%re 2spectively ,and the thermal properties of the com posite were als o im proved slightly ,com pa

5、red to pristine EP 1K eyw ords :Carbon Fiber P owder ;E poxy Resin ;E lectrical C onductivity ;Mechanical Properties 磨碎碳纖維(CFP 是將連續(xù)碳纖維經(jīng)高溫脫膠、短切、研磨成設(shè)定長(zhǎng)度的圓柱形微粒,它保留了碳纖維的眾多優(yōu)良性能,而且形狀細(xì)小,表面純凈,比表面積大,易于被樹(shù)脂潤(rùn)濕均勻分散,是性能優(yōu)良的復(fù)合材料填料1。本文采用熔融共混法,將兩種不同長(zhǎng)度的CFP 與環(huán)氧樹(shù)脂(EP 復(fù)合,制備了電阻率明顯降低,綜合力學(xué)性能顯著提高的EP/CFP 導(dǎo)電復(fù)合材料。1實(shí)驗(yàn)部分111主要原料與設(shè)

6、備EP :E 244型,江西宜春市瑞達(dá)化工廠;CFP :P 2100型,瀝青基,中值長(zhǎng)度75150m ,直徑710m ;P 2400型,瀝青基,中值長(zhǎng)度為250500m ,直徑710m ,鞍山賽諾達(dá)碳纖維有限公司;固化劑:聚酰胺651,江西贛西化工廠。萬(wàn)能拉力機(jī):C MT 6104型,深圳新三思材料檢驗(yàn)公司;擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī):Z BC 型,深圳新三思材料檢驗(yàn)公司;高阻計(jì):Z C 236型,上海精密科學(xué)儀器有限公司;電子掃描顯微鏡:S3500N 型,美國(guó)BR UK ER 公司;DSC 2TG A :S DT 2960S imultaneous 型,美國(guó)T A 公司。112CFP/EP 材料制備稱

7、取一定量的EP ,水浴預(yù)加熱至80,加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的P 2100型或P 2400型CFP ,攪拌3h ,攪拌速度為1000r/min ,冷卻至室溫,加入約50%EP 質(zhì)量的固化劑聚酰胺561,緩慢攪勻,澆鑄于自制模具中成型。室溫固化12h 后,于110再固化3h ,即制得CFP/EP 樣品,打磨成標(biāo)準(zhǔn)試樣。113材料性能檢測(cè)電性能檢測(cè):對(duì)體積電阻R v >1×107的樣片用高阻計(jì)按G B/T 14101989進(jìn)行測(cè)試;對(duì)體積電阻R v 1×107的樣片用數(shù)字萬(wàn)用表在標(biāo)準(zhǔn)電極上按照G B/T 14101989測(cè)試。力學(xué)性能檢測(cè):拉伸試驗(yàn)按G B/T 10401992測(cè)

8、試,彎曲試驗(yàn)按G B/T 10421992測(cè)試,沖擊試驗(yàn)按G B/T 10431992測(cè)試,無(wú)缺口試樣。斷面形貌:用SE M 觀察試樣的拉伸斷口的形貌45塑料工業(yè)CHI NA P LASTICS I NDUSTRY 第34卷第8期2006年8月作者簡(jiǎn)介:牛牧童,男,24歲,碩士生,從事無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料的研究。w wduan hqu 1edu 1cn 并拍照。熱穩(wěn)定性測(cè)試(TG :將被測(cè)熱樣品在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下從室溫加到700,升溫速度為20/min 。2結(jié)果與討論211CFP 用量和長(zhǎng)度對(duì)EP /CFP 復(fù)合材料體積電阻 率的影響圖1CFP 用量和長(zhǎng)度對(duì)EP /CFP 體積電阻率的影響Fig

9、1E ffect of CFP content and length on v olume resistivityof EP/CFP com posite圖1為CFP 含量和長(zhǎng)度對(duì)EP /CFP 體積電阻率的影響。由圖1可知,EP 固化樣的體積電阻率V 約為1015cm 。當(dāng)P 2100CFP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%10%時(shí),EP/CFP 復(fù)合材料的V 高于1013cm ,屬絕緣體。當(dāng)P 2100CFP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至15%時(shí),體系V 急劇下降至7161×106cm ,出現(xiàn)“滲濾”現(xiàn)象。原因是隨著CFP 填充量的增加,CFP 彼此間搭接形成網(wǎng)絡(luò)的幾率增大,復(fù)合體系內(nèi)形成了較完整的CFP 導(dǎo)

10、電網(wǎng)絡(luò)。之后,填料含量的增加對(duì)復(fù)合材料體積電阻的影響趨于平緩。碳纖維的長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能有顯著影響2。由圖1知,CPF 含量相同、長(zhǎng)度不同時(shí),復(fù)合材料的V 也不同。P 2100CFP 填充的試樣的滲濾域值約為10%,而長(zhǎng)度較大的P 2400CFP 填充的試樣約為8%。這是因?yàn)殚L(zhǎng)度越大,纖維搭接為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的幾率越大,形成網(wǎng)絡(luò)需要的纖維量就越小,從而降低了導(dǎo)電復(fù)合材料的滲濾域值。212CFP 用量和長(zhǎng)度對(duì)CFP/EP 復(fù)合材料力學(xué)性能 的影響圖2CFP 的用量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig 2E ffect of CFP content and length on mec

11、hanicalproperties of com posite圖2為CFP 的用量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。由圖2可知,P 2100CFP 填充試樣的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和沖擊強(qiáng)度隨CFP 含量的增加而增大,在CFP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后性能提升更為顯著;當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),材料的上述力學(xué)性能出現(xiàn)最大值,分別為4413MPa 、991MPa 和6114k J/m 2,分別比EP 提高了124%、186%和9817%;但當(dāng)CFP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí),出現(xiàn)了突降。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度則隨著CFP 用量的增加略有減小,在CFP 用量超過(guò)10%以后又不斷上升,在CFP 的質(zhì)

12、量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),增至120MPa ,比EP 提高了6715%。原因如下:在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料中,基體樹(shù)脂通過(guò)界面將應(yīng)力傳遞給高強(qiáng)度纖維,從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能3。當(dāng)CFP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí),基體內(nèi)的纖維數(shù)目較少,承受的應(yīng)力也相對(duì)較少,此時(shí)基體不但傳遞應(yīng)力,自身也承受著55第34卷第8期牛牧童等:磨碎碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能研究一定的應(yīng)力4,所以材料的力學(xué)性能提升較慢。纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后,隨著基體內(nèi)纖維數(shù)量的增加,纖維承受了主要應(yīng)力,樹(shù)脂主要起傳遞應(yīng)力的作用,所以復(fù)合材料的力學(xué)性能提升幅度增大。但隨著CFP 含量的增加,復(fù)合體系中纖維比例加大,體系粘度升高,纖維不能

13、很好地分散,相互摩擦、纏結(jié),容易形成纖維束,使外力作用不能被有效分散,造成應(yīng)力集中,成為斷裂源,從而降低了復(fù)合材料力學(xué)性能;另外,隨著纖維數(shù)目的增多,越來(lái)越多的纖維難以被樹(shù)脂充分潤(rùn)濕,它們會(huì)在復(fù)合材料中形成許多弱粘結(jié)面,在材料受力時(shí)發(fā)生弱界面的脫附拔出 ,使應(yīng)力傳遞失效,不能對(duì)材料起到力學(xué)補(bǔ)強(qiáng)作用,因此當(dāng)CFP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至30%時(shí),材料的拉伸性能和沖擊性能下降。由圖2還可知,在配比相同時(shí),除個(gè)別配比外,P 2400CFP 填充試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能均低于P 2100填充試樣。這是因?yàn)镻 2400CFP 長(zhǎng)度較大,約為P 2100型的25倍,當(dāng)EP 熔體流動(dòng)時(shí),纖維之間產(chǎn)生的摩擦力較大,降低了E

14、P 流動(dòng)性能,使體系粘度增大。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)P 2400CFP 填充量大于15%時(shí),復(fù)合材料因?yàn)檎扯冗^(guò)大,不再適合澆注成型,而P 2100CFP 則可以添加到30%。體系粘度的增大使纖維的浸膠性變差,一方面纖維容易纏結(jié)成為纖維束,不能均勻地分散同基體充分接觸;另一方面纖維的潤(rùn)濕性降低,使材料界面粘結(jié)質(zhì)量下降,所以P 2400CFP 對(duì)EP 的力學(xué)補(bǔ)強(qiáng)作用不如P 2100CFP 。213EP/CFP 的形貌分析a -EPb -EP/CFP (20%圖3EP/CFP (P 2100復(fù)合材料試樣拉伸斷面的SE M 照片F(xiàn)ig 3SE M photographs of fracture sur faces

15、 of EP andEP/CFP (P 2100com posite圖3為EP/CFP (P 2100復(fù)合材料拉伸斷面的SE M 照片。由圖3a 知,EP 發(fā)生的是脆性斷裂,斷口平整,裂紋呈河流狀且較為有序。由圖3b 知,EP/CFP (20%斷面凹凸不平,基體上有云片狀扯起形貌,表明材料的韌性有所提高;同時(shí)纖維在EP 中分散性好,大多為單根分布,而且與EP 粘結(jié)緊密,粘結(jié)邊緣幾乎沒(méi)有縫隙,斷面留有少量CFP 的拔出孔洞。這是由于P 2100CFP 為微米級(jí)粉體,比表面積較大,且與EP 主要呈單根接觸,接觸面積較大,兩相間的結(jié)合力相應(yīng)較大。不過(guò)也有少量的CFP 與EP 粘結(jié)性差,材料破壞時(shí),與

16、EP 發(fā)生界面脫附,在斷面留下了較深的拔出孔洞,但P 2100CFP 粉體形狀細(xì)小,含量較大時(shí),材料內(nèi)纖維根數(shù)很多且分布均勻,總體上復(fù)合材料的力學(xué)性能提升。214EP/CFP 的TG 熱性能分析表1TG 曲線分析結(jié)果T ab 1Results of TG curve analysis 試樣T 10%/T 50%/T max /354114051145416樹(shù)脂受熱而裂解氣化時(shí)的溫度稱之為熱分解溫度,它是表征物料熱穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)之一5。從表1可看出,復(fù)合材料的T 10%、T 50%隨CFP 含量的增加變化不大。而T max 隨著CFP 含量的增加緩慢升高。當(dāng)CFP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,復(fù)合材料

17、的T max 為45416,比純EP 分解溫度高718,這可能是因?yàn)镃FP 在體系中的網(wǎng)狀分布對(duì)EP 的熱降解起著阻礙作用;另外CFP 提高了基體的熱傳導(dǎo)率,材料受熱更均勻,不易出現(xiàn)局部過(guò)熱分解,致使復(fù)合材料熱降解滯后?？梢?jiàn)增加CFP 用量,能提高EP 的熱穩(wěn)定性,但幅度不大。3結(jié)論1磨碎碳纖維對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能同時(shí)進(jìn)行有效的補(bǔ)強(qiáng)。同等含量下,長(zhǎng)度較大的CPF 對(duì)EP/CFP 材料的導(dǎo)電性增強(qiáng)效果較好;但對(duì)材料的力學(xué)性能補(bǔ)強(qiáng)效果較弱。2P 2100CFP 顆粒較為微小,易于在樹(shù)脂中分散潤(rùn)濕,是較為理想的制備具有良好力學(xué)性能導(dǎo)電復(fù)合材料的填料。利用25%P 2100CFP 填充EP ,E

18、P/CFP 材料的體積電阻率較EP 降低了9個(gè)數(shù)量級(jí),約為1134×106cm ;拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較EP 分別提高了124%、186%、9817%和6617%,同時(shí)材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。參考文獻(xiàn)1彭煥鼎,萬(wàn)樂(lè)生,吳小梅等1玻璃纖維,1997,(6:5(下轉(zhuǎn)第69頁(yè)65塑料工業(yè)2006年 r/R =00105,n =115198,x 1=014245;r/R =0105012,n =115187,x 2=014100;r/R =012014,n =115140,x 3=013419;r/R =014016,n =115050,x 4=012137;r/R

19、=016018,n =114965,x 5=010926 。圖3分3層聚合時(shí)預(yù)聚物與理想分布折射率的對(duì)比Fig 3Refractive indices contrast between optimal distribution and prepolymers for 3layers圖44層聚合時(shí)預(yù)聚物與理想分布折射率的對(duì)比Fig 4Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 4layers實(shí)驗(yàn)時(shí)據(jù)此配料,輔以合適的反應(yīng)溫度和時(shí)間,就可以制備出具有理想折射率分布曲線的梯度型塑料光纖預(yù)制棒。

20、事實(shí)上,由于下一層預(yù)聚物加入時(shí)其前面一層聚合物薄層尚未完全固化,并且剛加入的預(yù)聚物對(duì)前面的聚合物薄層有溶脹作用,二者可以相互融合、擴(kuò)散,因而最終所得預(yù)制棒中折射率的實(shí)際分布曲線并非是圖中所示的階梯狀分布而是平滑的分布曲線,而這種效果正是獲得高質(zhì)量的梯度型塑料光纖預(yù)制棒所必須的。由圖5看出,最終的GI 2POF 預(yù)制棒中折射率的分布曲線與理性分布曲線非常接近,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象比較吻合,說(shuō)明上面采取的簡(jiǎn)單化處理是可行的。圖55層聚合時(shí)預(yù)聚物與理想分布折射率的對(duì)比Fig 5Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 5layers3結(jié)論采用多層離心共聚的新方法來(lái)制備GI 2POF 預(yù)制棒,其RI D 曲線可以自如的調(diào)控,所得光纖的帶寬性能必然有相應(yīng)的提高。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)事實(shí)都表明所用預(yù)聚物層數(shù)越多,最終所得GI 2POF 預(yù)制棒的折射率分布曲線越接近理想分布。通過(guò)理想分布曲線對(duì)每一層預(yù)聚物的折射率值及物料配比進(jìn)行了計(jì)算,據(jù)此配料就可以得到RI D 非常接近理想分布的GI 2POF 預(yù)制棒。參考文獻(xiàn)1Chen W C ,Chang Y,Wei M H 1J P olym Sci :Part B :P olymPhys ,2000,38:17642Boo