碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能

彭永利，王醉寒

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能

彭永利，王醉寒

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

酚醛樹脂具有較好的機(jī)械加工性能以及極佳的耐熱性能，但是酚醛樹脂性脆，韌性差，采用環(huán)氧樹脂對(duì)其進(jìn)行共混改性可以提高酚醛樹脂的韌性，但是會(huì)損失一定的熱性能.以碳纖維布作為增強(qiáng)材料，酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂作為基體，經(jīng)過(guò)浸漬，層壓成型等工藝，制得碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料.通過(guò)比較不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酚醛／環(huán)氧樹脂質(zhì)量比所制得的材料的力學(xué)性能，熱性能及掃描電鏡表征出的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，得出在環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，該復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到262.5 MPa，沖擊強(qiáng)度達(dá)到62.3 kJ·m－2，相對(duì)于沒有加入環(huán)氧樹脂的碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，分別提高了23%和185%.熱形變溫度達(dá)到158．8℃，相對(duì)于沒有加入環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料減少了13%.綜合來(lái)看，環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%時(shí)，碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有最佳的綜合性能.

碳纖維；酚醛環(huán)氧樹脂；力學(xué)性能

0 引言

碳纖維具有超高的強(qiáng)度、超高的模量和優(yōu)良的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，以碳纖維作為增強(qiáng)材料的樹脂基復(fù)合材料在航空、航天、體育器械、醫(yī)療器材等諸多領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［1］.酚醛樹脂的原料來(lái)源較廣，價(jià)格較低廉，生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，成型加工性好，并可以通過(guò)各種改性手段易獲得更為優(yōu)良的力學(xué)性能、熱性能、電性能、燒蝕性能等其他各方面性能，酚醛樹脂本身具有良好的阻燃性能，較低的發(fā)煙率，很少產(chǎn)生有害氣體，并且酚醛樹脂是合成樹脂中工業(yè)化生產(chǎn)最早的品種，以上的種種因素使得酚醛樹脂已成為機(jī)械生產(chǎn)、電器電工、國(guó)防建設(shè)及其它工業(yè)部門在實(shí)際生產(chǎn)中不可或缺的材料［2－3］.但是酚醛樹脂延伸率低，脆性大，韌性差，需要通過(guò)改性來(lái)提高其韌性.環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，較好的力學(xué)性能尤其是韌性，易于加工等優(yōu)點(diǎn)，用環(huán)氧樹脂改性酚醛樹脂可以在保留酚醛樹脂高耐熱性的同時(shí)提高酚醛樹脂的韌性［4－6］.

綜上所述，用環(huán)氧樹脂改性酚醛樹脂可以在保留酚醛樹脂高耐熱性的同時(shí)提高酚醛樹脂的韌性，從而提高復(fù)合材料基體部分的機(jī)械性能.采用碳纖維作為增強(qiáng)材料可以復(fù)合材料的骨架部分，具有更好的力學(xué)性能，熱性能及耐腐蝕性能［7］.

本文主要研究以環(huán)氧改性酚醛樹脂作為基體，碳纖維布作為增強(qiáng)材料，采用浸漬，層壓工藝等壓制成型并測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能.討論在不同的環(huán)氧樹脂含量下，復(fù)合材料力學(xué)性能的變化以及環(huán)氧樹脂含量與復(fù)合材料性能的關(guān)系，并結(jié)合各組材料的熱性能，得出可以使復(fù)合材料具有最佳綜合性能的環(huán)氧樹脂.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

增強(qiáng)材料采用的是浙江金虹膠業(yè)生產(chǎn)的斜紋3 k碳纖維布；酚醛樹脂采用的是山東濟(jì)寧華凱樹脂有限公司生產(chǎn)的PF－3213水溶性酚醛樹脂，常溫下黏度為26 mps，固含量為53%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；環(huán)氧樹脂采用的是巴陵石化生產(chǎn)的E－51型環(huán)氧樹脂.

1.2 碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝

碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝如圖1所示.

1.2.1 浸漬料的制備配制環(huán)氧樹脂質(zhì)量比分別為0，10%，15%，20%，25%，30%的酚醛／環(huán)氧樹脂溶液，加熱至60℃，攪拌均勻.將碳纖維布裁剪至符合模具的尺寸，并分別浸泡于不同環(huán)氧樹脂含量的樹脂溶液中1 h.1 h后將碳纖維布取出，置于干燥通風(fēng)處風(fēng)干約12 h，得到可用于壓制成型的碳纖維布浸漬料.

圖1 碳纖維布／環(huán)氧酚醛樹脂復(fù)合材料成型工藝流程圖Fig.1 Flow chart for the preparation of composite molding process

1.2.2 碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備取適量碳纖維布浸漬料，在烘箱中105℃預(yù)熱30min后放入模具，將模具放入熱壓機(jī)（R－3220型，武漢啟恩科技發(fā)展有限責(zé)任公司）中，在壓力為10 MPa，溫度為180℃的條件下，成型40 min.冷卻后脫模，得到碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料.

1.3 復(fù)合材料性能測(cè)試

彎曲強(qiáng)度按照GB／T 1449－2005，采用深圳高品測(cè)試機(jī)械有限公司生產(chǎn)的WDW－20萬(wàn)能材料測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試速率為2 mm／min，標(biāo)距為64 mm.

沖擊強(qiáng)度按照GB／T 1843－2008標(biāo)準(zhǔn)，采用河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，采用無(wú)缺口樣條熱變形溫度按照GB／T 1634－2004標(biāo)準(zhǔn)，采用熱變形溫度測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試，升溫速率為120℃/h.

采用日本電子生產(chǎn)的JSM－5510LV掃描電子顯微鏡對(duì)沖擊斷面進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂含量與碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)系

圖2為環(huán)氧樹脂含量與碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的關(guān)系.由圖中可以得知，隨著環(huán)氧樹脂含量的升高，碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì).當(dāng)環(huán)氧樹脂含量達(dá)到25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，碳纖維布/酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值262．5MPa，相對(duì)于沒有加入環(huán)氧樹脂的碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，提高了23%.之后隨環(huán)氧樹脂含量升高，碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度逐漸降低.

圖3為環(huán)氧樹脂含量和碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著環(huán)氧樹脂含量的升高，碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐步升高.當(dāng)環(huán)氧樹脂含量達(dá)到25%時(shí)，碳纖維布/酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值62．3 kJ/m2，相對(duì)于沒有加入環(huán)氧樹脂的碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，提高了185%.之后隨環(huán)氧樹脂含量升高，碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度逐漸下降.

圖2 碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between flexural strength and epoxy resin content of composite

圖3 碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between impact strength and epoxy resin content of composite

在此復(fù)合體系中，纖維和樹脂基體共同承受外力，其中主要承擔(dān)外力的是纖維，樹脂基體通過(guò)界面將外力均勻的傳遞到每個(gè)纖維中，分散了所承受的應(yīng)力，從而復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了提高［8］.酚醛樹脂性脆，加入環(huán)氧樹脂可以與酚醛樹脂共固化，達(dá)到使樹脂增韌的效果［9］.共固化的效果決定了樹脂基體分散應(yīng)力的能力，因此加入適量的環(huán)氧樹脂可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能.

2.2 環(huán)氧樹脂含量與碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱性能的關(guān)系

圖4為環(huán)氧樹脂含量對(duì)碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱變形溫度的影響.從圖中可以看出，在不加入環(huán)氧樹脂時(shí)，碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到最大值184．2℃，隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱變形溫度一直降低，環(huán)氧樹脂含量在30%時(shí)，熱變形溫度為150．3℃.在復(fù)合材料達(dá)到最佳力學(xué)性能，即環(huán)氧樹脂含量在25%時(shí)，熱形變溫度為158．8℃，與最大值相比減少了13%.

圖4 復(fù)合材料熱變形溫度與環(huán)氧樹脂含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between heat distortion temperature and epoxy resin content of composite

2.3 不同環(huán)氧樹脂含量下碳纖維布／酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊的斷面形貌

不同環(huán)氧樹脂含量的復(fù)合材料沖擊斷口形貌如圖5所示.圖5（a）為環(huán)氧樹脂含量在20%時(shí)復(fù)合材料的斷口形貌，從圖中可以看出，纖維和樹脂分布較為均勻，在斷口仍有樹脂附著，說(shuō)明纖維與樹脂基體相容性較好，因此復(fù)合材料具有較強(qiáng)的吸收沖技能的能力，具有較好的力學(xué)性能；圖5（b）為環(huán)氧樹脂含量在25%時(shí)復(fù)合材料的斷口形貌，與圖5（a）相比，纖維和樹脂分布均勻度更為均勻，纖維和樹脂之間的間隙更少更小，纖維和樹脂之間的結(jié)合緊密度高于圖5（a）中即環(huán)氧樹脂含量在20%時(shí)的復(fù)合材料，因此復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能.圖5（c）為環(huán)氧樹脂含量在30%時(shí)復(fù)合材料的斷口形貌，從圖中可以看出，與圖5（a），圖5（b）相比，孔洞和裂隙比圖5（a）多，比圖5（b）少，因此力學(xué)性能要強(qiáng)于環(huán)氧樹脂含量在20%時(shí)的復(fù)合材料，弱于環(huán)氧樹脂含量在25%時(shí)的復(fù)合材料.

圖5 不同環(huán)氧樹脂含量的復(fù)合材料沖擊斷口形貌Fig.5 Fracture surface morphology of composite with different epoxy resin content

結(jié)合復(fù)合材料的沖擊性能和沖擊斷面形貌可以看出，碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在環(huán)氧含量為20%時(shí)，樹脂基體為酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的共固化物，且基體并未呈現(xiàn)出一個(gè)完整的連續(xù)相，當(dāng)環(huán)氧樹脂含量到25%時(shí)，基體呈相對(duì)完整的連續(xù)相，而當(dāng)環(huán)氧樹脂含量到達(dá)30%，樹脂基體部分又呈現(xiàn)出由連續(xù)相到分散相的轉(zhuǎn)變，基體內(nèi)部缺陷部分增多，因而機(jī)械性能出現(xiàn)下降.

3 結(jié)語(yǔ)

a．環(huán)氧樹脂含量的提高對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有較為明顯的提高作用，當(dāng)環(huán)氧樹脂含量在25%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到262．5 MPa，沖擊強(qiáng)度達(dá)到62．3 kJ·m－2，較純酚醛樹脂分別提高了23%和185%.

b．環(huán)氧樹脂的加入會(huì)降低復(fù)合材料的熱性能，隨環(huán)氧樹脂含量的增加復(fù)合材料的熱變形溫度下降較為嚴(yán)重.

c．通過(guò)觀察微觀形貌可以得出，環(huán)氧樹脂含量在25%時(shí)，樹脂與纖維之間的結(jié)合性最好，與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相符.

［1］賀福．碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

HE Fu．Carbon fiber and its application technology［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2004.（in Chinese）

［2］黃發(fā)榮，萬(wàn)里強(qiáng)．酚醛樹脂及其應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

［3］雅露，饒軍．新型酚醛復(fù)合材料及工藝進(jìn)展［J］．玻璃鋼／復(fù)合材料，1996（2）：43－46．

YA Lu，RAO Jun．New type phenolic resin and itsprocess development［J］.Glass Steel/Composite，1996（2）：43－46．（in Chinese）

［4］孫曉牧．國(guó)外酚醛樹脂市場(chǎng)概況［J］．熱固性樹脂，1997（1）：53－56．

SUN Xiao－mu，Market of phenolic resin abroad［J］．Thermosetting Resin，1997（1）：53－56.（in Chinese）

［5］ZIMA V，SVOBODA J，GENES L，et a1．Synthesis and characterizationofnewstrontium4－carboxyphenylphosphonates［J］．Journal of Solid State Chemistry，2007，180（3）：929—939．

［6］于紅衛(wèi)．改性酚醛樹脂研究進(jìn)展［J］．建筑人造板，2001（2）：20－24．

YU Hong－wei.Research process on modification of phenolic resin［J］Building Artificial Boards，2001（2）：20－24．（in Chinese）

［7］NAIR C P R．Advances in addition－cure phenolic resin adhesives［J］．Polym Sci，2004，29（5）：401－498．

［8］Plast．Technol edition．plastic BMC arrives［J］．Plast Technol，2003（9）：24．

［9］Espinosa M A．Novel phosphorilated flame retardant thermosets：epoxy－benzoxazine－novalac systems［J］．Polymer，2004，45：6103－610．

Mechanicalpropertiesofphenolicepoxyresinreinforcedwithcarbonfibercloth

PENG Yong－li，WANG Zui－h(huán)an
School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Phenolic resin owns favorable machining property and excellent heat resistant property，but it has brittleness and poor toughness．Using epoxy resin to conduct the blending modification to improve the toughness of phenolic resin，the thermal property of the resin will get a loss．The phenolic－epoxy resin composite reinforced by carbon fiber cloth was prepared by taking carbon fiber cloth as the reinforced material and phenolic resin and epoxy resin as the matrix via dipping and laminated，molding，etc．By comparing the mechanical property，thermal property and the microstructure of the composite prepared by different phenolic/epoxy mass fractions，we found that when the mass fraction of epoxy resin is 25%，the flexture strength of the composite reaches 262．5 MPa and the impact strength reaches 62．3 kJ·m－2，which increases by 23%and 185% respectively compared with the phenolic－epoxy resin composite reinforced by the carbon fiber cloth without adding epoxy resin．Meanwhile，the thermal distortion temperature is 158．8℃，decreasing by 13%compared with the composite without adding epoxy resin．In general，the phenolic－epoxy resin composite reinforced by the carbon fiber cloth owns the best comprehensive properties when the mass fraction of epoxy resin reaches 25%．

carbon fiber；phenolic－epoxy resin；mechanical properties

625.5；O621.3；O622.5

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.08.010

1674－2869（2015）08－0049－04

本文編輯：龔曉寧

2015－03－25

彭永利（1968－），男，黑龍江清寶人，教授，博士研究生導(dǎo)師．研究方向：熱固性樹脂及其復(fù)合材料．