粉末廢料/樹脂基多軸向經編復合材料力學性能研究

聶小林，馬丕波

(江南大學教育部針織工程技術研究中心，江蘇無錫 214000)

?

粉末廢料/樹脂基多軸向經編復合材料力學性能研究

聶小林，馬丕波

(江南大學教育部針織工程技術研究中心，江蘇無錫 214000)

研究在制備玻璃纖維增強酚醛樹脂復合材料時，通過加入了碳纖維環氧樹脂復合材料的粉末廢料，目的是提高新復合材料的力學性能。對新制備的復合材料的拉伸性能和彎曲性能進行了測試分析。結果表明，在一定的比例范圍內加入粉體的廢物可以提高新復合材料的力學性能。

力學性能 粉末廢料 樹脂基多軸向經編復合材料 回收 玻璃纖維

由于具有低密度，高模量，易成型和韌性好等特點, 碳纖維增強復合材料(CFRP)已經廣泛應用于許多領域[1]。使用CFRP制作汽車的外殼可以減輕車身重量[2]，這可以減少燃油使用量；復合材料這種新型的材料已經逐漸主導材料,復合材料的使用和發展極大地促進了航天工業的發展進步[3]，它不僅可以有很輕的重量，其優良的機械性能也可以更好的適應太空的惡劣環境，在日常生活中CFRP也有應用于人體醫用領域，人體假肢[4]也有取材于CFRP。但是CFRP的快速發展和大量使用會產生許多工業廢料，回收和再利用這些廢料可以減輕環境分解廢料的壓力，利用廢料粉末重新加入樹脂混合的辦法還可以再次實現其使用價值[5]。回收廢舊復合材料的方法主要有填埋法，物理法，熱解法和溶劑法[6]。填埋法對環境污染比較嚴重而且分解時間緩慢；熱解法能耗高不易控制；溶劑法對實驗材料性能要求比較嚴苛；而物理法主要是將廢料碾磨成粉末，具有工藝簡單，無污染物的優點。在此之前，有碳納米管加入樹脂制備復合材料的方法[7],這為復合材料粉末加入樹脂提供了參考依據。還有將二氧化硅納米顆粒摻入到環氧樹脂中的研究，研究結果發現二氧化硅納米顆粒對碳纖維增強環氧樹脂基復合材料纖維-基體界面結合強度沒有負面影響[8-10]。本文涉及的實驗運用物理碾磨的方法，將復合材料廢料碾磨成粉末，加入到酚醛樹脂當中，用多軸向經編玻璃纖維織物作為增強體制備含CFRP粉末的復合材料，對該系列復合材料進行機械性能測試，通過對比實驗數據，以期達到機械性能提升的目的。

1 樣品和制備工藝

1.1 材料準備

粉末廢料是從碳纖維增強酚醛樹脂基復合材料的研磨過程中收集的，在制備新的復合材料時，廢料粉末將會加入到酚醛樹脂中。研磨在一個封閉的罩子下進行，這樣的好處是會避免粉末飛散到空氣中和粉末被污染。粉末被收集之后需進行粒徑表征，表征結果如表1所示。

表1 粉末顆粒直徑

復合材料的增強體用的是多軸向玻璃纖維經編織物，如圖1示。

圖1 多軸向玻璃纖維經編織物

該增強體織物是以玻璃纖維為主要原料，主體是有四層玻璃纖維疊放而成，然后再由滌綸復絲采用經編工藝捆綁制備而成。從圖1中可以看出的是第一層玻璃纖維垂直鋪置(0°)，第二層玻璃纖維呈45°鋪置，第三層玻璃纖維呈135°鋪置(-45°)，最底層玻璃纖維與第一層玻璃纖維垂直鋪置，呈90°交叉。多軸向鋪置保證了織物各個方向的穩定性。捆綁紗線選用的是滌綸復絲，這樣織物可以更加穩定而不易變形，從而使最終的復合材料性能更加優良。捆綁紗線滌綸是以經編工藝捆綁編織，使各層玻璃纖維穩固疊放。

樹脂選用的是亞什蘭194型號的酚醛樹脂，在制備復合材料的過程中，粉末將會以不同的比重(1%, 3% ，5%)添加到樹脂中，粉末和樹脂的攪拌混合要持續24小時，以免混合不均勻。

1.2 制備過程

首先將CFRP粉末按不同的比重加入到酚醛樹脂中，然后采用真空數值導入工藝，將增強玻璃纖維織物和酚醛樹脂進行復合，過程中會加入固化劑，固定裝置，24小時后待其固化成形，然后脫模取樣。取樣后制備成測試所需的規格。

1.3 樣品的規格

樣品一共有24塊，按照所添加粉末的比重不同分為四類，四類樣品粉末所占比重分別為0%，1%，3%，5%，每一類樣品在拉伸和彎曲性能的測試過程中測試三組。

圖2 拉伸樣品、彎曲樣品的尺寸

圖2為樣品的尺寸，長度為100mm，寬度為15mm，厚度2mm。該樣品為彎曲性能測試用。為了使樣品在拉伸測試過程中應力集中，做拉伸性能測試的樣品在中部被切割，切割后樣品中部的寬度為10mm。切割后樣品為拉伸性能測試用。

2 測試設備和測試原理

拉伸、彎曲測試采用的硬件設備是帶有載荷傳感器的英斯特朗萬能力學試驗儀(如圖3所示)(Instron Universal Machine)，配備Bluehill軟件。

圖3 英斯特朗萬能力學實驗儀

為了比較不同樣品的力學性能，在準靜態的條件下，進行拉伸和彎曲測試。拉伸和彎曲測試的載荷施加速度均為2 mm/min。

(a)

(b)

彎曲測試準備如圖4(a)所示，測試是在帶有傳感器的測試夾具上進行。彎曲測試的是三點彎曲，下端兩點之間的距離是7cm，兩點固定且起到約束的作用，載荷施加點在每一塊樣品的點，測試開始之前，加壓桿輕放在樣品上，樣品不發生形變，傳感器感應的載荷為零。

拉伸測試準備如圖4(b)所示，樣品未被夾持部分(露出部位)為7cm，上下端夾具同時起到固定樣品和施加載荷的作用，樣品夾持準備時同樣要保證樣品不能發生形變。

測試過程中，Bluehill軟件會根據試樣的尺寸、載荷施加速度以及載荷計算并繪制出應力應變曲線。

3 結果與討論

3.1 拉伸性能與討論

拉伸性能的測試結果見圖5，樣品的最大彈性模量值見表2。

表2 樣品楊氏彈性模量(拉伸)

圖5 準靜態拉伸應力應變曲線

從表2中數據可以得出結論： 粉末含量為1%的樣品，其楊氏彈性模量要比不加粉末的樣品高出4.38%，但是隨著粉末含量的繼續增加，樣品的彈性模量會越來越低，粉末含量為3%和5%的樣品，其彈性模量相比不加粉末的樣品分別降低14.80%和15.63%，隨著粉末添加比例的增加，樣品的楊氏彈性模量顯示有少許提高，達到某一峰值之后其楊氏彈性模量開始逐漸下降。從圖5中可以得出結論： 加入粉末的樣品，其斷裂伸長率要低于不加粉末的樣品，也就是說明，純的樣品加入了粉末之后，其性能變脆。

拉伸試驗開始進行時，樣品形變不明顯，伴有輕微的斷裂的聲音，隨著拉伸的進行，樣品承載的載荷漸漸增大，當樣品承載的載荷達到最大值時，此時樣品斷裂，載荷承載能力急劇下降。

3.2 彎曲性能與討論

彎曲性能的測試結果見圖6，樣品的最大彈性模量值見表3。

表3 樣品楊氏彈性模量(彎曲)

圖6 準靜態彎曲應力應變曲線

從表3中數據可以得出結論： 粉末含量為1%的樣品，其楊氏彈性模量要比不加粉末的樣品高出15.53%，粉末含量為3%和5%的樣品，其彈性增加比例分別為7.18%和1.04%，隨著粉末比重的增加，樣品的彎曲彈性模量逐漸下降，但在粉末含量5%的范圍內，其樣品的彎曲彈性模量都要高于不加粉末的樣品。從圖6中曲線可以看出，各類樣品達到彎曲應力的峰值時，其彎曲應變基本相同，且粉末比重為5%的樣品與不加粉末的樣品曲線大致相同，這說明粉末比重為5%的樣品與不加粉末的樣品其彎曲性能相近，且彈性模量增加比例在1%左右，變化不大，也說明粉末在5%的比重范圍內，樣品的彎曲性能都有提高。

彎曲試驗開始進行時，樣品漸漸彎曲，但形變效果不明顯，并伴有層間斷裂的聲音。樣品承載的載荷隨著形變的增大而增大，當載荷達到樣品所能承載的最大值時，樣品完全斷裂，載荷承載能力平緩下降。

4 結論

(1)通過實驗結論可以得出，在制備新的復合材料過程中加入復合材料粉末廢料可以提高材料的拉伸和彎曲性能，但是粉末廢料的添加比例必須在一個固定的范圍內。

(2)在準靜態拉伸和彎曲兩種作用下，該材料所承載的載荷都隨著形變量的增加而增大，漸漸達到最大值，當達到峰值之后，材料破壞。不同的是，對于拉伸性能測試，載荷經過峰值之后，材料的載荷承受能力急劇下降，而對于彎曲性能測試卻是相對平緩下降。

(3)實現了廢舊復合材料的回收以及利用廢舊復合材料來提高新復合材料的機械性能，這也對環保有幫助。

[1] Asokan P, Osmani M, Price A D F. Assessing therecycling potential of glass fibre reinforced plastic waste in concrete and cement composites[J]. Journal of Cleaner Production, 2009, 17(9):821-829.

[2] 凌靜, 王慶明. 復合材料部件在汽車輕量化中的應用[J]. 現代零部件, 2013(2):33-37.

[3] 王恒生, 程艷婷. 復合材料在航天領域中的研究與應用進展[J]. 化工科技, 2013, 21(2):67-70.

[4] 崔海坡, 周海風, 程恩清. 碳纖維復合材料特性及在假肢領域的應用[J]. 中國組織工程研究與臨床康復, 2009, 13(25):4913-4915.

[5] Thomas C, Borges P H R, Panzera T H, et al. Epoxy composites containing CFRP powder wastes[J]. Composites Part B Engineering, 2014, 59(59):260-268.

[6] 徐平來, 李娟, 李曉倩. 熱固性樹脂基復合材料的回收方法研究進展[J]. 工程塑料應用, 2013, 41(1):100-104.

[7] Shokrieh M M, Daneshvar A, Akbari S. Reduction of thermal residual stresses of laminated polymer composites by addition of carbon nanotubes[J]. Materials & Design, 2014, 53(1):209-216.

[8] J Zhang, S Deng, Y Wang, et al. Effect of nanoparticles on interfacial properties of carbon fibre epoxy composites[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2013, 55(6):35-44.

[9] Ma J, Mo M S, Du X S, et al. Effect of inorganic nanoparticles on mechanical property, fracture toughness and toughening mechanism of two epoxy systems[J]. Polymer, 2008, 49(16):3510-3523.

[10]Y Yang, C Lu, X Su, et al. Effects of emulsion sizing with nano-SiO2on interfacial properties of carbon fibres/epoxy composites[J]. Journal of Materials Science, 1999, 27(3): 463-482.

2016-09-17

中國博士后面上項目基金(2016M591767)，中央高校基本科研業務費專項資金(JUSRP51625B)。

聶小林(1994-)，男，碩士研究生，研究方向：產業用針織結構設計與性能。

馬丕波(1984-)，男，博士，副教授，碩士生導師。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0024-04