健身器械用碳纖維復(fù)合材料成型與性能研究*

（渭南師范學(xué)院 陜西渭南 714000）

碳纖維是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，與聚碳酸酯等基體復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料可具有二者共同的優(yōu)勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)比強(qiáng)度高、耐高溫、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在體育健身器械和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景[1]，對(duì)公共體育服務(wù)體系的建立及運(yùn)行研究有著參考價(jià)值。碳纖維復(fù)合材料的加工工藝隨著實(shí)際應(yīng)用需要而不斷演變，以最大限度地發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的使用性能，目前的碳纖維復(fù)合材料成型工藝包括：手糊成型工藝、噴射成型工藝、模壓成型工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、液態(tài)成型工藝、真空熱壓罐工藝、真空導(dǎo)入工藝、高溫模壓工藝和3iTech感應(yīng)加熱工藝等，其中各個(gè)成型工藝都具有自身的特點(diǎn)，且成型工藝都直接決定著碳纖維復(fù)合材料性能的優(yōu)劣，而成型過(guò)程中影響最終使用性能的因素較多[2]，生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的重復(fù)性、準(zhǔn)確性較低，最終產(chǎn)品的性能波動(dòng)幅度較大。因此，本文嘗試采用控制模壓成型工藝的方法，考察了碳纖維復(fù)合材料的模壓成型工藝及對(duì)拉伸和沖擊性能的影響，以期為健身器械用碳纖維復(fù)合材料的模壓成型工業(yè)化提供必要技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

以日本東麗公司T700SC碳纖維（單絲1.2K根、密度1.8g/cm3、拉伸強(qiáng)度4.9GPa、拉伸模量230MPa）和美國(guó)Cambro公司提供的聚碳酸酯（密度1200kg/cm3、拉伸強(qiáng)度65MPa、拉伸模量2500MPa）為原料，并引入氣流展絲方法獲得的碳纖維絲束作為增強(qiáng)體，采用薄膜層疊模壓成型工藝制備了碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料[3]。具體步驟包括：（1）將碳纖維絲束剪裁成158mm長(zhǎng)、聚碳酸酯剪裁成220mm×220mm，置于真空電阻爐中進(jìn)行380℃、氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下的2h除漿處理，然后爐冷至室溫；（2）將除漿后的碳纖維編織成平紋織物，絲束間距0.5mm，并按照薄膜-碳纖維織物-薄膜的方式層疊；（3）采用平板硫化機(jī)進(jìn)行模壓成型，并通過(guò)單片機(jī)控制模壓成型工藝參數(shù)，具體包括模壓溫度、模壓壓力、模壓時(shí)間等，見(jiàn)表1。

表1 基于單片機(jī)控制的碳纖維復(fù)合材料的成型參數(shù)Table 1 Forming parameters of carbon f iber composites based on MCU control

根據(jù)D3039M-2014《聚合物基復(fù)合材料的拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》在INSTRON5566液壓伺服萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試，拉伸試樣取樣方式如圖1所示，包括沿著平紋方向0°和45°取樣，取樣后在兩側(cè)黏貼加強(qiáng)片，拉伸速率為2mm/min；沖擊性能測(cè)試按照D7136M-2015《測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料耐落錘沖擊事件破壞性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》在INSTRON 9250型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試樣尺寸為80mm×80mm。

圖1 拉伸試樣取樣：（a）宏觀；（b）0°；（c）45°Fig. 1 Sampling of tensile specimens

2 結(jié)果與討論

圖2為基于單片機(jī)控制的不同模壓溫度下碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的宏觀形貌。對(duì)比分析可知，當(dāng)模壓溫度為220℃和240℃時(shí)，復(fù)合材料的外觀并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，都呈現(xiàn)出棋盤(pán)狀特征[4]，碳纖維絲束直線度較好、整體結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)模壓溫度升高至250℃時(shí)，復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，碳纖維絲束聚攏性較差，局部出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，整體均勻性不足，在實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)該加以避免。

圖2 不同模壓溫度下復(fù)合材料的宏觀形貌Fig. 2 Macroscopic morphology of composites at different moulding temperatures

圖3和圖4分別為基于單片機(jī)控制的不同模壓壓力和模壓時(shí)間下碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的宏觀形貌。可見(jiàn)，模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料外觀形貌的影響與模壓溫度相似，即在較低的模壓壓力和較短的模壓時(shí)間下，復(fù)合材料成型性較好，碳纖維絲束直線性、聚攏性較好，而在高模壓壓力和長(zhǎng)時(shí)間模壓作用下，復(fù)合材料中的絲束發(fā)生了分散和變形，且局部可見(jiàn)明顯孔隙，成型質(zhì)量有所降低。

圖3 不同模壓壓力下復(fù)合材料的宏觀形貌Fig. 3 Macroscopic morphology of composites under different moulding pressures

圖4 不同模壓時(shí)間下復(fù)合材料的宏觀形貌Fig. 4 Macroscopic morphology of composites under different molding time

對(duì)單片機(jī)控制的不同模壓溫度下復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，其中模壓時(shí)間為10min、模壓壓力為6MPa?？梢?jiàn)，隨著模壓溫度的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓溫度為240℃時(shí)取得最大值，而隨著模壓溫度繼續(xù)升高，0°和45°方向的拉伸性能反而有所減小。這主要是因?yàn)槟簻囟鹊纳邥?huì)使得復(fù)合材料中熔融樹(shù)脂的粘度降低并增加流動(dòng)性，改善了增強(qiáng)纖維的浸潤(rùn)而獲得了良好的界面性能[5-6]。

圖5 模壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig. 5 Effect of molding temperature on tensile strength of carbon f iber composites

圖6為單片機(jī)控制的不同模壓溫度下復(fù)合材料在0°方向的拉伸沖擊性能測(cè)試結(jié)果，其中模壓時(shí)間為10min、模壓壓力為6MPa。可見(jiàn)，隨著模壓溫度的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的的沖擊功呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓溫度為240℃時(shí)取得最大值，這與模壓溫度對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響規(guī)律相同，其增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能的作用機(jī)理相似。綜合而言，當(dāng)模壓溫度為240℃，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料具有最佳的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性。

圖6 模壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料沖擊功的影響Fig. 6 Effect of molding temperature on impact work of carbon f iber composites

對(duì)單片機(jī)控制的不同模壓壓力下復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，其中模壓時(shí)間為10min、模壓溫度為240℃。可見(jiàn)，隨著模壓壓力的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓壓力為4MPa時(shí)取得最大值，而隨著模壓壓力繼續(xù)升高，0°和45°方向的拉伸性能反而有所減小；但是對(duì)比分析可見(jiàn)，不同模壓壓力下復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸性能的變化幅度較小，即模壓壓力對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響相對(duì)模壓溫度較小。這主要是因?yàn)槟簤毫Φ脑黾訒?huì)增大碳纖維絲束中單絲之間的間隙并在較大模壓壓力時(shí)發(fā)生樹(shù)脂外溢，造成局部樹(shù)脂分布不均[7]，拉伸強(qiáng)度會(huì)有所減小。

圖7 模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig. 7 Effect of molding pressure on tensile strength of carbon f iber composites

圖8為單片機(jī)控制的不同模壓壓力下復(fù)合材料在0°方向的拉伸沖擊性能測(cè)試結(jié)果，其中模壓時(shí)間為10min、模壓溫度為240℃?？梢?jiàn)，隨著模壓壓力的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的的沖擊功呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓壓力為6MPa時(shí)取得最大值，且此時(shí)的沖擊功明顯高于模壓壓力為4MPa時(shí)的試樣。綜合而言，當(dāng)模壓壓力為6MPa，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的具有最佳拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性結(jié)合。

圖8 模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料沖擊功的影響Fig. 8 Effect of molding pressure on impact work of carbon f iber composites

對(duì)不同模壓時(shí)間下復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示，其中模壓壓力為6MPa、模壓溫度為240℃?？梢?jiàn)，隨著模壓時(shí)間的延長(zhǎng)，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓時(shí)間為10min時(shí)取得最大值，而隨著模壓時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度反而有所減小。模壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響機(jī)理與模壓壓力相似，都主要是因?yàn)槟簳r(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)改變碳纖維絲束中單絲之間的間隙[8]，且在模壓時(shí)間在12min時(shí)會(huì)使得復(fù)合材料發(fā)生翹曲以及樹(shù)脂溢出現(xiàn)象，拉伸性能會(huì)降低。

圖9 模壓時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of molding time on tensile strength of carbon f iber composites

3 結(jié)論

（1）隨著模壓溫度的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊功呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓溫度為240℃時(shí)取得最大值，而隨著模壓溫度繼續(xù)升高，0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度和沖擊功反而有所減小。

（2）隨著模壓壓力的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，但是不同模壓壓力下復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度的變化幅度較小；當(dāng)模壓壓力為6MPa，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料具有最佳拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性結(jié)合。

（3）隨著模壓時(shí)間的升高，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料在0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在模壓時(shí)間為10min時(shí)取得最大值，而隨著模壓時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，0°和45°方向的拉伸強(qiáng)度反而有所減小。