碳纖維增強體育復合材料制備及性能試驗

黃麗群

（惠州衛生職業技術學院，廣東惠州516000）

環氧樹脂碳纖維材料憑借其良好的抗疲勞性和抗腐蝕性，被廣泛應用于體育器材領域。但隨著研究的深入，人們發現環氧樹脂碳纖維復合材料在固化后，橫向拉伸性能變差，抗沖擊能力變弱，從而限制了材料的商用。為促進環氧樹脂碳纖維材料的應用，沙迪[1]等采用熱壓成型技術制備碳纖維三向織物/環氧樹脂復合材料，結果表明該方法制備的材料具有良好的拉伸性能；鄭志才[2]則采用碳納米管對環氧樹脂體系以及碳纖維進行改性，從而增強了環氧樹脂碳纖維復合材料的整體性能。從以上研究看出，復合材料成型和改性是提升碳纖維復合材料的有效方式，但具體成型方法和改性方式還存在很大提升空間，特別是在材料的拉伸和耐沖擊方面。基于此，本試驗在用納米二氧化硅改性基礎上，嘗試采用目前最新的真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制備SiO2改性環氧樹脂碳纖維復合材料，從而提升環氧樹脂碳纖維復合材料性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗材料：納米SiO2（廣州南硅化工有限公司，納米級）、環氧樹脂（青島百辰新材料科技有限公司）、碳纖維織布（河北富瑞復合材料有限公司）。

試驗儀器：電子天平（河北德科機械科技有限公司，H0503）、真空干燥箱（鞏義市宏華儀器設備工貿有限公司，DZF-6050）、高速剪切儀（滄州晟鎧儀器設備有限公司，GS-1）、超聲波清洗機（常州國華電器有限公司，CS-1）、電子萬能試驗機（協強儀器制造（上海）有限公司，CTM2050）、落錘式沖擊實驗機（江蘇維科特儀器儀表有限公司，WKT-LC200）。

1.2 試驗步驟

1.2.1 納米二氧化硅環氧樹脂分散物制備

（1）用H0503型電子天平稱取300g環氧樹脂，然后置于DZF-6050型真空干燥箱內，在45℃條件下加熱5min。

（2）稱取質量分數分別為0.5%、1%、3%的納米SiO2。

（3）將預熱后環氧樹脂取出，然后調整GS-1型高速剪切儀高度，將轉頭放入環氧樹脂正中間，放置時要注意轉頭緊貼杯壁。

（4）打開高速剪切儀，調整轉速至10000r/min。將納米二氧化硅平均分成三份，每隔10min在環氧樹脂中加入一份納米SiO2，直至納米SiO2加完。攪拌過程中，不斷改變轉頭的位置，避免出現分布不均的現象。

（5）提前將CS-1型超聲波清洗機預熱至60℃，然后將攪拌均勻的環氧樹脂混合物放入超聲波清洗機。打開超聲波清洗機對混合物進行超聲震蕩。超聲溫度、功率和時間分別為60℃、40kHz和60min。

1.2.2 VARTM成型工藝制備改性后的環氧樹脂基碳纖維復合材料

（1）提前在光滑剛性玻璃模具上分3次涂抹脫模蠟，每次涂抹都需等到脫模蠟完全干透方可繼續涂抹。將脫模布置于提前處理過的玻璃模具上，放置時要注意鋪放整齊，然后將6層碳纖維布按照統一方向鋪放在脫模布上，最后根據要求放置導流管和螺旋管[3]。鋪設工藝如圖1所示。

圖1 VARTM 成型工藝鋪設Fig. 1 VARTM forming process and laying

（2）將材料鋪設好后，在其四周隔取一定距離粘貼密封膠帶，然后將真空薄膜袋黏貼在密封膠帶上。粘貼真空薄膜袋時要注意薄膜袋與密封膠帶間不要留有空隙，避免試驗失敗[4]。

（3）用止流鉗將樹脂兩側真空管夾緊，打開真空泵開關，待真空表指針指向-0.1MPa，確定是否漏氣。若密封狀態良好，將納米無機粒子環氧樹脂分散劑與固化劑按照5:1比例混合均勻，然后導入玻璃模具中，最后將兩端樹脂夾緊。

（4）將玻璃模具置于室溫條件下固化，一段時間后的，取出完全固化的復合材料。觀察復合材料表面是否完整，有無浸潤不完全，氣泡和干斑現象出現。如有上述情況出現需舍棄。

1.3 性能測定

1.3.1 橫向拉伸性能測定

（1）參照ASTM D3039，將復合材料切割成尺寸為25mm（長）×125mm（寬）×2mm（高）的拉伸試驗樣品，每組5個試樣，共3組。

（2）將引伸計用皮筋固定在試樣上，然后調節CTM2050型電子萬能試驗機上下夾頭，使上下夾頭保持一定距離。將試樣的上下兩端置于萬能試驗機上下卡具中部，調整上下夾頭距離，確保試樣保持垂直對準中心，同時不受卡具壓力。

（3）開啟電子萬能試驗機，以2mm/min的加載速度對試件施加荷載。

1.3.2 沖擊性能測定

（1）參照ASTM 7136，取25mm（長）×150mm（寬）×2mm（高）樣品，同樣每組5個，共3組。

（2）提前對試件表面中心位置進行標記，置于WKT-LC200型落錘式沖擊實驗機夾具適當位置，最后將試件鎖死。

（3）選擇直徑為16mm的球形沖頭進行測試。將沖頭對準試件中心的落下，觀察試件變化，并繪制沖擊載荷-時間曲線。

2 結果與討論

2.1 納米SiO2改性環氧樹脂復合材料的橫向拉伸性能

表1為不同質量分數納米SiO2/環氧樹脂復合材料橫向拉伸性能測定結果。由表1可知，隨納米SiO2含量的增加，復合材料拉伸性能表現出先增加后減小的趨勢。當納米SiO2質量分數為1%時，復合材料性能最佳。此時復合材料橫向拉伸強度為41.7MPa；拉伸模量為79.9GPa；斷裂伸長率為0.5%；拉伸強度和模量分別比純環氧樹脂碳纖維復合材料提高了124%和98%。納米SiO2改性環氧樹脂碳纖維復合材料拉伸性能出現先增加后減小變化的原因是納米SiO2粒子粒徑小，比表面積大，能夠與高分子材料很好地相容[5-6]。與環氧樹脂結合時，能產生更多的Si-O化學鍵，在拉伸過程中對微裂縫的長大延伸起到延緩和鈍化作用，使得復合材料拉伸性能有所提升[7]。隨著納米SiO2含量的增加，在體系內易出現聚集成團的現象，使得納米SiO2無法在環氧樹脂碳纖維復合材料中分散均勻。復合材料受外部荷載時，微裂紋瞬間成為宏觀斷裂，導致其性能下降。同時，納米SiO2含量的增加會導致混合溶液粘度變大，不利于VARTM 成型工藝對復合材料改性。

表1 不同質量分數SiO2改性材料橫向拉伸性能測定結果Table 1 Test results of transverse tensile properties of SiO2 modified materials with different SiO2 mass fractions

2.2 納米SiO2改性復合材料沖擊性能

圖2、圖3分別表示在20J沖擊能量下，質量分數為1%的納米SiO2改性環氧樹脂基碳纖維復合材料的沖擊載荷、能量與時間的關系曲線。由圖2可知，經納米SiO2改性，復合材料沖擊荷載隨時間的變化規律呈現為類正弦變化。在沖擊初始階段，沖擊載荷隨時間的增加而增加，但未經過改性的環氧樹脂基復合材料載荷-時間曲線變化增長速度要大于經納米SiO2改性的環氧樹脂碳纖維復合材料。這是因為環氧樹脂碳纖維經納米SiO2改性后，碳碳鍵總鍵能比硅氧鍵鍵能高，使得其耐沖擊能力增加[8]。試驗結果表明，經納米SiO2改性的環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊力為2216N，比純環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊力1615N提高23%左右。這是因為在改性過程中，納米粒子提高了環氧樹脂的交聯密度[9]。在承受沖擊載荷時，SiO2能承擔傳遞部分載荷，再加上納米SiO2粒子比表面積大，表面羥基含量高，化學性能活潑，與環氧樹脂接觸機會大，使得其沖擊性能大大增加[10]。

圖2 納米SiO2改性復合材料沖擊載荷-時間曲線Fig. 2 Impact load-time curve of nano silica modified composite

圖3 納米SiO2改性復合材料能量-時間曲線Fig. 3 Energy-time curve of nano silica modified composites

由圖3可知，兩種復合材料的能量-時間曲線在迅速增加至20J能量后，開始趨于平衡。納米SiO2改性復合材料曲線增長速度相對較快，這說明沖擊作用時間較少，能夠提前達到最大沖擊力。

3 結論

本文利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制備納米SiO2改性環氧樹脂基碳纖維的復合材料，得出以下結論：

（1）橫向拉伸試驗結果表明，隨納米SiO2含量的增加，復合材料橫向拉伸性能表現出先增加后減小的趨勢。當納米SiO2質量分數為1%時，復合材料橫向拉伸性能最佳，此時復合材料橫向拉伸強度為41.7MPa，拉伸模量為79.9GPa，斷裂伸長率為0.5%。

（2）復合材料沖擊試驗結果表明，納米SiO2能一定程度提高環氧樹脂碳纖維復合材料沖擊性能。純環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊載荷為1615N，經納米SiO2改性后，復合材料最大沖擊載荷提升至2216N。能量-時間曲線結果表明，經改性后的復合材料增長至20J能量的時間較短，能夠提前達到最大沖擊力。