碳纖維樹脂基復(fù)合材料的制備及在景觀設(shè)計中的應(yīng)用

陳 佳

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

碳纖維增強復(fù)合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體、以樹脂等為基體所形成的復(fù)合材料，由于具有強度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點，因而在現(xiàn)代化景觀建設(shè)、航空航天制品等領(lǐng)域有著較為廣泛應(yīng)用。然而，隨著人們對現(xiàn)代景觀建筑要求的提高，各個不同區(qū)域使用的材料的使用性能也在不同程度地得到了升級，而作為景觀建筑中應(yīng)用較為普遍的碳纖維復(fù)合材料，其使用性能的優(yōu)劣也在很大程度上決定其應(yīng)用范圍。為此，需要從碳纖維復(fù)合材料的制備角度出發(fā)來提升其加工性能、力學(xué)性能等，而復(fù)合材料的界面是影響其最終性能的關(guān)鍵因素，這主要是因為碳纖維與樹脂基之間的浸潤性較差，二者的界面粘結(jié)性能如果不改善就發(fā)揮不了復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)勢；基于碳纖維在高溫碳化處理后的表面活性官能團(tuán)較少的特性，需要對碳纖維進(jìn)行表面修飾，以提升其與樹脂基的粘結(jié)性能。本文在調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出采用氧化石墨烯對碳纖維進(jìn)行表面改性的方法，并制備相應(yīng)地環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，考察不同處理方式得到的復(fù)合材料的后加工性能和力學(xué)性能，以期提升碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，并推動其在景觀設(shè)計中的應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

實驗原料包括石墨粉（化學(xué)純）、硝酸鈉（分析純）、濃硫酸（分析純）、雙氧水30%（分析純）、高錳酸鉀（分析純）、縮水甘油醚 E-51 型環(huán)氧樹脂（工業(yè)級）、上漿劑SA-1（工業(yè)級）、碳纖維T700SC和去離子水。

采用Hummers法制備氧化石墨烯，然后采用離心法（轉(zhuǎn)速離心9 900 r/min）對氧化石墨烯進(jìn)行分離，分別沉淀得到不同尺寸的氧化石墨烯；采用上漿法將離心處理得到的氧化石墨烯加入到上漿劑SA-1（純樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）中攪拌15 min（固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為1.5%），得到不同尺寸氧化石墨烯修飾的碳纖維；采用真空袋壓法制備樹脂基復(fù)合材料，其固化工藝為室溫固化24 h后脫模，然后在78 ℃固化4 h，碳纖維的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，得到碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。其中，除漿碳纖維簡稱d-CF、經(jīng)過上漿的碳纖維稱為GO0-CF、未經(jīng)離心分離的氧化石墨烯上漿后稱為GOc-CF、大尺寸氧化石墨烯和小尺寸氧化石墨烯經(jīng)過上漿處理后分別稱為GO1-CF和GOs-CF，而碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料稱為CF/EP。

采用Olymplus GX51型光學(xué)顯微鏡、IT500型掃描電鏡和JEOL2100型透射電鏡觀察試樣的顯微形貌。取碳纖維試樣在聚氨酯棉塊上施加2 N壓力并測試摩擦后的增重，并計算10組試樣的平均毛絲量。在LFY-200B型耐磨儀上測試試樣的耐磨性，結(jié)果為10組試樣平均值。試樣懸掛后機(jī)械退繞0.5 m長，測試距離懸掛點60 mm處的長度，并統(tǒng)計10組試樣的硬挺度平均值。根據(jù)ASTM-2344標(biāo)準(zhǔn)，采用3點短梁法測試碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強度，試樣尺寸為20 mm×6 mm×3 mm，速度為2 mm/min，結(jié)果為10組試樣平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1為氧化石墨烯的形貌特征。

圖1 氧化石墨烯的形貌特征Fig.1 Morphological characteristics of graphene oxide

由圖1可知，氧化石墨烯懸浮液呈尿黃色，這主要是因為石墨烯在經(jīng)過強氧化劑氧化處理后，許多含氧官能團(tuán)（羧基、羥基等）會附著在氧化石墨烯片層上，并使得氧化石墨烯具有一定的親水屬性而形成穩(wěn)定懸浮液；在掃描電鏡和透射電鏡下，氧化石墨烯表面可見褶皺形態(tài)，呈現(xiàn)出片層結(jié)構(gòu)特征。

圖2為不同尺寸的氧化石墨烯的顯微形貌。

圖2 不同尺寸的氧化石墨烯的顯微形貌Fig.2 Microstructure of graphene oxide with different sizes

由圖2可知，經(jīng)過離心處理后得到的氧化石墨烯片層具有大、中、小3種不同尺寸，其中，尺寸較大的氧化石墨烯的直徑約16 μm、尺寸中等的氧化石墨烯的直徑約11 μm，而尺寸較小的氧化石墨烯的直徑基本在6 μm以下。

圖3為不同處理方式的碳纖維的表面顯微形貌。

圖3 不同處理方式的碳纖維的表面顯微形貌Fig.3 Surface morphology of carbon fibers treated with different methods

由圖3可知，GO0-CF的顯微形貌中可見試樣表面較為光滑，局部區(qū)域可見輕微凸起；經(jīng)過除漿處理后的d-CF表面可見縱向凹槽，這可能與紡絲過程中殘留的表面缺陷有關(guān)；經(jīng)過上漿處理后，GO1-CF和GOs-CF表面都未見縱向凹槽存在，這主要與上漿過程中上漿劑已經(jīng)在試樣表面成膜而填充了凹槽所致，但是仍然在試樣表面可見尺寸不等的氧化石墨烯片層存在，且大尺寸和小尺寸氧化石墨烯對試樣的表面形貌有明顯影響，這些微觀形貌的差異會對經(jīng)過表面修飾的碳纖維的性能產(chǎn)生一定影響。

表1為不同處理方式的碳纖維的后加工性能。對于除漿碳纖維d-CF，耐磨性為1 104次、毛絲量為12.8 mg、硬挺度為24 mm；經(jīng)過上漿的碳纖維的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為2 197次、4.3 mg和65 mm，相對除漿碳纖維的耐磨性和硬挺度明顯長大、毛絲量明顯減小；未經(jīng)離心分離的氧化石墨烯上漿后的試樣GOc-CF的耐磨性、毛絲量和硬挺度分 別 為1 934次、5.6 mg和70 mm。GO1-CF和GOs-CF的耐磨性分別為1 843次和2 049次、毛絲量分別為6.2 mg和4.9 mg、硬挺度分別為74 mm和66 mm，可見，大尺寸氧化石墨烯上漿處理的碳纖維試樣的耐磨性較低，但是毛絲量和硬挺度更大，而硬挺度越大則表示試樣的柔軟性越差，大尺寸氧化石墨烯上漿處理后的碳纖維的毛絲量更大，可能與氧化石墨烯在碳纖維表面分布不均，且由于尺寸較大而容易脫落有關(guān)。整體而言，經(jīng)過上漿處理后，試樣的后加工性能得到一定程度改善，而氧化石墨烯會在一定程度上增加碳纖維試樣的粗糙度和硬挺度。

表1 不同處理方式的碳纖維的后加工性能Tab.1 Post processing properties of carbon fibers with different treatment methods

圖4為不同處理方式的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度。

圖4 不同處理方式的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度Fig.4 Interlaminar shear strength of carbon fiber reinforced epoxy resin composites with different treatment methods

由圖4可知，除漿碳纖維d-CF增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度為34.05 MPa；GO0-CF、GOc-CF、GO1-CF和GOs-CF增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度分別為39.00、43.21、41.33和47.50 MPa。小尺寸氧化石墨烯上漿處理的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度最大，其次為未經(jīng)離心分離的氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。此外，大尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度較低，這主要與大的片層結(jié)構(gòu)會減弱界面粘結(jié)有關(guān)，而小尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料由于具有較多的含氧官能團(tuán)，且能夠在碳纖維上均勻分布氧化石墨烯而增加濕潤性，有助于力的傳遞而使得復(fù)合材料具有較高的層間剪切強度。

圖5為不同處理方式的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷口形貌，分布列出了大尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和小尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷口形貌差異。對比分析可知，2種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（GO1-CF/EP、GOs-CF/EP）的斷口形貌存在較大差異，其中，GO1-CF/EP的斷口中未見明顯環(huán)氧樹脂粘結(jié)，而GOs-CF/EP的碳纖維周圍都被環(huán)氧樹脂所包裹，這也就說明后者與環(huán)氧樹脂的粘結(jié)性更好，在層間剪切強度測試過程中，GOs-CF/EP中碳纖維與環(huán)氧樹脂間較好的粘結(jié)形態(tài)會有利于消除應(yīng)力集中以及力的傳遞，因此層間剪切強度會相對較大，這與圖4的觀察結(jié)果相吻合。

圖5 不同處理方式的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of carbon fiber reinforced epoxy resin composites with different treatment methods

3 結(jié)語

GO0-CF的表面較為光滑，局部區(qū)域可見輕微凸起；經(jīng)過除漿處理后的d-CF表面可見縱向凹槽，而經(jīng)過上漿處理后的GO1-CF和GOs-CF表面都未見縱向凹槽，但存在尺寸不等的氧化石墨烯片層。除漿碳纖維d-CF的耐磨性為1 104次、毛絲量為12.8 mg、硬挺度為24 mm；GO0-CF的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為2 197次、4.3 mg和65 mm；GOc-CF的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為1 934次、5.6 mg和70 mm。GO1-CF和GOs-CF的耐磨性分別為1 843次和2 049次、毛絲量分別為6.2 mg和4.9 mg、硬挺度分別為74 mm和66 mm，除漿碳纖維d-CF增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度為34.05 MPa；GO0-CF、GOc-CF、GO1-CF和GOs-CF增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度分別為39.00、43.21、41.33和47.50 MPa。所以本文察不同處理方式得到的復(fù)合材料的后加工性能和力學(xué)性能，提升碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，并推動其在景觀設(shè)計中的應(yīng)用，具有重要意義。