圖書館碳纖維書架用復合材料設計及性能測試分析

劉云

摘 要：為了提升圖書館碳纖維書架的綜合力學性能，設計了不同結構的碳纖維增強金屬層壓板，對比分析了單一添加玻璃微珠（GB）、納米碳酸鈣對Al/CF/PA6復合材料彎曲強度、剪切強度和沖擊強度的影響，并對斷口形貌和復合添加玻璃微珠進行了觀察。結果表明：在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的彎曲強度、剪切強度和沖擊強度，且納米碳酸鈣對復合材料彎曲強度、剪切強度和沖擊強度的提升效果優于GB。對比分析還發現，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的彎曲強度、剪切強度和沖擊強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣。

關鍵詞：圖書館書架；碳纖維；金屬層板復合材料；力學性能；斷口形貌

中圖分類號：TQ342+.742;TB33

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0097-04

Design and performance testing analysis of carbon fiber composite material for library bookshelves

LIU Yun

（Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China

）

Abstract：In order to improve the comprehensive mechanical properties of library carbon fiber bookshelves，carbon fiber reinforced metal laminates with different structures were designed.A comparative analysis was conducted to assess the impact of adding glass beads （GB） and nano calcium carbonate on the bending strength， shear strength， and impact strength of the composite material of Al/CF/PA6. In addition， the fracture morphology and the effects of adding GB to the composite material were also observed.The results showed that the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite were improved by adding GB or nano calcium carbonate to Al/CF/PA6，and the effect of nano calcium carbonate on the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite was better than GB.In addition，the comparative analysis also showed that the bending strength，shear strength and impact strength of the composite after adding GB and nano calcium carbonate were higher than those of the single addition of GB or nano calcium carbonate.

Key words：library bookshelves;carbon fiber;metal laminated composite materials;mechanical properties;fracture morphology

碳纖維增強金屬層壓板作為一種利用膠粘劑把兩層或更多層金屬薄板（通常為鋁合金）和夾在薄板之間的增強碳纖維膠接在一起制成的金屬層板復合材料［1］，由于兼具層壓板中不同種類材料的各自特性［2］，因此，綜合性能較為優越，如質量輕、耐腐蝕、抗疲勞抗損傷性能好等［3］。因此，在現代化圖書館書架等領域有著良好的應用前景。隨著現代圖書館對碳纖維增強金屬層壓板書架要求的提高，用于書架的碳纖維增強金屬層壓板不僅需要足夠的強度，還需要具有良好的剪切性能、沖擊性能等［4-7］，以滿足書架承重及可能發生的沖擊斷裂等問題。傳統的碳纖維增強金屬層壓板多采用鋁合金/碳纖維/尼龍6復合材料制備，而目前研究多采用提高鋁合金性能、碳纖維性能等方面［8-10］，一定程度上提高了生產成本且對碳纖維增強金屬層壓板綜合性能的提升幅度有限［11］。本文擬通過在鋁合金/碳纖維/尼龍6復合材料中單一添加玻璃微珠（GB）、納米碳酸鈣（CaCO3）和復合添加玻璃微珠+納米碳酸鈣的方法，設計了不同結構的碳纖維增強金屬層壓板，考察了其對應于性能如彎曲強度、剪切強度和沖擊強度的影響，以期為高綜合性能圖書館書架用碳纖維增強金屬層壓板的開發與應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗原料

實驗材料包括尼龍6（PA6，密度1.12 g/cm3）、YT-3K-P300型碳纖維（CF，直徑7 μm、密度1.77 g/cm3、拉伸強度3 540 MPa、斷后伸長率1.76%）、2024 T3鋁合金板（Al，厚0.5 mm）、納米碳酸鈣（CaCO3，粒徑80 nm，表面積1.75 m2/g）、CX-1000型玻璃微珠（GB）。

1.2 圖書館書架用復合材料的設計

共制備了4種不同類型的PA6基碳纖維復合材料，分別為Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6。其中，碳纖維材料裁剪成100 mm×100 mm，在甲醇溶液中靜置1 d，然后在烘箱中進行58? ℃/2 h的干燥處理，空冷至室溫；鋁合金試樣同樣加工成100 mm×100 mm，經過丙酮除油、堿洗、酸洗和陽極處理［12-13］。采用雙螺桿擠壓機制備PA6基碳纖維復合材料，上模225? ℃、下模235? ℃，擠壓壓力6 MPa、持續時間15 min。

1.3 測試與表征

彎曲、剪切和沖擊性能測試試樣的尺寸示意圖如圖1所示。室溫彎曲性能測試根據ASTM D 7264—07標準進行，跨距60 mm、加載速度1.5 mm/min；室溫層間剪切性能測試根據ASTM D2344—16標準進行，跨距16 mm、加載速度3 mm/min；室溫沖擊性能測試根據ASTM D256—10標準進行；彎曲、剪切和沖擊性能測試結果都取5根試樣的平均值［14］。采用IT-300型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 圖書館書架用復合材料的特性

表1為 PA6基碳纖維復合材料的彎曲強度測試結果。

由表1可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫彎曲強度分別為303.69、323.26、339.17和353.54 MPa。可見，在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的彎曲強度，且納米碳酸鈣對復合材料彎曲強度的提升效果優于GB；此外，對比分析還可以發現，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的彎曲強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6提升16.41%。

表2為 PA6基碳纖維復合材料的剪切強度測試結果。

由表2可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫剪切強度分別為41.95、42.75、46.99和49.08 MPa。可見，在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的剪切強度，且納米碳酸鈣對復合材料剪切強度的提升效果優于GB；此外，對比分析還可以發現，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的剪切強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6提升17.00%。

表3為 PA6基碳纖維復合材料的沖擊強度測試結果。

由表3可見，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫沖擊強度分別為90.77 kJ·m-2、90.98 kJ·m-2、94.53 kJ·m-2和89.49 kJ·m-2。可見，在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的沖擊強度，且納米碳酸鈣對復合材料沖擊強度的提升效果優于GB；此外，對比分析還可以發現，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的沖擊強度會低于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6降低了1.41%。

2.2 圖書館書架用復合材料的斷口形貌

圖2為Al/GB/CF/PA6復合材料的斷口形貌。

從圖2（a）可見，鋁合金基體與PA6結合良好，且可以發現玻璃微球均勻分散在基體中；從圖2（b）可見，碳纖維與PA6的界面呈現脆性斷裂的特征，可以看見碳纖維斷裂，斷口起伏較大；從圖2（c）和圖2（d）可見，在斷口中可見玻璃微球在鋁合金和碳纖維中都有分布；圖2（e）可見拔出的碳纖維束上有少量變形，局部可見微裂紋的存在；從圖2（f）可見，在復合材料的斷口中，鋁合金斷口中有較多的韌窩，呈韌性斷裂特征，有助于提高復合材料的塑性和沖擊性能［15］。

進一步對玻璃微珠在Al/GB/CF/PA6復合材料斷口中的分布進行觀察，結果如圖3所示。

從圖3（a）和圖3（b）可見，在復合材料斷裂過程中，裂紋會沿著玻璃微珠界面處擴展，且玻璃微珠可以起到釘扎作用，一定程度抑制了裂紋擴展［16］，有助于提升復合材料的強度。從圖3（c）和圖3（d）可見，部分裂紋擴展過程中沿著玻璃微珠擴展，部分玻璃微珠處于半剝離狀態，體現出二者較好的界面結合能力［17］，如果要使得玻璃微珠發生剝離需要更大的能量。

圖4為Al/CaCO3/CF/PA6復合材料的斷口形貌。

從圖4可看出，整體而言，Al/CaCO3/CF/PA6復合材料的斷口呈現脆性斷裂特征，斷口中碳纖維被拔出，不同性質的材料之間的界面基本剝離，在鋁合金基體中還可見微裂紋的存在；此外，鋁合金板與纖維之間已經發生脫粘，鋁合金斷口較為平整，未見明顯韌窩等，表明塑性不高［18］。

圖5為Al/GB/CaCO3/CF/PA6復合材料的斷口形貌。由圖5可以發現，在Al/GB/CaCO3/CF/PA6復合材料的斷口中存在明顯玻璃微珠和碳酸鈣，且碳纖維有被拔出的線性，這些增強體都可以起到增強復合材料強度的作用；此外，從圖5（b）～（d）可見，鋁合金發生了明顯塑性變形，斷口中出現了拔絲線性，表明斷裂過程中鋁合金吸收了較多的能量［19］；從圖5（e）的玻璃微珠的存在狀態可見，玻璃微珠均勻分散在基體組織中，尺寸約為98 nm，可以起到釘扎和抑制裂紋擴展的作用［20］；由圖5（f）可見，玻璃微珠與基體界面結合良好。整體而言，玻璃微珠、碳酸鈣粒子和碳纖維等都可以起到增強復合材料強度的作用，因此，Al/GB/CaCO3/CF/PA6復合材料的剪切強度、彎曲強度和沖擊強度都優于單位添加玻璃微珠或者碳酸鈣的Al/GB/CF/PA6復合材料和Al/CaCO3/CF/PA6復合材料，斷口形貌的觀察結果與表1～表3的測試結果相吻合。

3 結語

（1）在圖書館書架用Al/CF/PA6復合材料中加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的彎曲強度，且納米碳酸鈣對復合材料彎曲強度的提升效果優于GB；此外，對比分析還可以發現，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的彎曲強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣；

（2）為了提升圖書館設計用復合材料的剪切強度，設計了4種不同結構的復合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫剪切強度分別為41.95、42.75、46.99和49.08 MPa。在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的剪切強度，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的剪切強度會高于單一添加GB或者納米碳酸鈣；

（3）為了提升圖書館設計用復合材料的沖擊強度，設計了4種不同結構的復合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫沖擊強度分別為90.77、90.98、94.53和89.49 kJ/m2。在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會提升復合材料的沖擊強度，復合添加GB和納米碳酸鈣后復合材料的沖擊強度會低于單一添加GB或者納米碳酸鈣。

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