磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能研究

1、· 54 ·塑料工業(yè)CHINA PIAS nCS INDUSTRY第34卷第8期2006年8月磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能研究牛牧童。吳偉端，陳名名(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建泉州362011)摘要：利用兩種不同的磨碎碳纖維粉體(CFP)填充環(huán)氧樹脂(EP)，通過熔融共混制備了EPCFP復(fù)合材料。研究了CFP含量、長度與復(fù)合材料導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能的關(guān)系，并考察了材料斷口形貌。研究表明：P一100型CFP填充的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25時，EPCFP材料的體積電阻率為134×10 Q·cm；拉伸強度、拉伸彈性模量、沖擊強度和彎曲強度較EP分別

2、提高了124 、186、987和667，同時材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。關(guān)鍵詞：磨碎碳纖維；環(huán)氧樹脂；導(dǎo)電性能；力學(xué)性能中圖分類號：TQ327 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：10055770(2006)08005403Study of Property of Epoxy Resin Reinforced by Carbon Fiber PowderNIU Mu-tong，WU Wei-duan，CHEN Ming-ruing(College of Material SciEng，Huaqiao Umvemi，Quanzhou 362011，China)Abatract：Epoxy resin(EP)

3、carbon fiber powder(CFP)composites were prepared by meh blending EP withtwo types of CFPThe relationship of the electHcal，mechanical and thermal properties of the EPCFP composites，as well as the fracture surfaces of the composite，was studiedThe result showed that when the mass percentaage ofP-100 CF

4、P was 25 ，the volume resistivity of the composite Was 134×10607 cm，while the tensile strength，tensile elastic modulus，impact strength and bending strength increased by 124 ，186 ，987 and 667 respectively，and the thermal properties of the composite were also improved slightly，compared to pristine

5、 EPKeywords：Carbon Fiber Powder；Epoxy Resin；Electrical Conductivity；Mechanical Properties磨碎碳纖維(CFP)是將連續(xù)碳纖維經(jīng)高溫脫膠、短切、研磨成設(shè)定長度的圓柱形微粒，它保留了碳纖維的眾多優(yōu)良性能，而且形狀細(xì)小，表面純凈，比表面積大，易于被樹脂潤濕均勻分散，是性能優(yōu)良的復(fù)合材料填料【1。本文采用熔融共混法，將兩種不同長度的CFP與環(huán)氧樹脂(EP)復(fù)合，制備了電阻率明顯降低，綜合力學(xué)性能顯著提高的EPCFP導(dǎo)電復(fù)合材料。1 實驗部分11 主要原料與設(shè)備EP：E44型，江西宜春市瑞達化工廠；CFP：P100型

6、，瀝青基， 中值長度75150 m，直徑7 10m；P400型，瀝青基， 中值長度為250500 m，直徑710肛m，鞍山賽諾達碳纖維有限公司； 固化劑：聚酰胺651，江西贛西化工廠。萬能拉力機：CMT6104型，深圳新三思材料檢驗公司；擺錘式?jīng)_擊試驗機：ZBC型，深圳新三思材料檢驗公司；高阻計：ZC 36型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；電子掃描顯微鏡：$3500N型，美國BRUKER公司；DSCTGA：SIYI2960 Simultaneous型，美國 公司。12 CFPEP材料制備稱取一定量的EP，水浴預(yù)加熱至80 ，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的P100型或P400型CFP，攪拌3 h，攪拌速度為1

7、000 rmin，冷卻至室溫，加入約50 EP質(zhì)量的固化劑聚酰胺561，緩慢攪勻，澆鑄于自制模具中成型。室溫固化12 h后，于110再固化3 h，即制得CFPEP樣品，打磨成標(biāo)準(zhǔn)試樣。13 材料性能檢測電性能檢測：對體積電阻R >1×10 Q的樣片用高阻計按GBT 1410-1989進行測試；對體積電阻1×10 Q的樣片用數(shù)字萬用表在標(biāo)準(zhǔn)電極上按照GBT l4l01989測試。力學(xué)性能檢測：拉伸試驗按GBT 1040-1992測試，彎曲試驗按GBT 10421992測試，沖擊試驗按GBT l I31992測試，無缺口試樣。斷面形貌：用SEM觀察試樣的拉伸斷口的形貌作者

8、簡介：牛牧童，男，24歲，碩士生，從事無機一有機復(fù)合材料的研究。wwduanhqueducn維普資訊 第34卷第8期 牛牧童等：磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能研究 55并拍照。熱穩(wěn)定性測試(TG)：將被測熱樣品在高純氮氣保護下從室溫加到700 ，升溫速度為20min。2 結(jié)果與討論21 CFP用量和長度對EPCFP復(fù)合材料體積電阻率的影響圖1 CFP用量和長度對EPCF'P體積電阻率的影響Fig 1 Efect of CFP content and length on volume resistivityof EPCFP composite圖1為CFP含量和長度對EPCFP體積電

9、阻率的影響。由圖1可知，EP固化樣的體積電阻率P、，約為10 Q·cm。當(dāng)P100 CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 10時，EPCFP復(fù)合材料的P、，高于10瑪Q·cm，屬絕緣體。當(dāng)P100 CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至15時，體系P、，急劇下降至761×10 Q·cm，出現(xiàn)“滲濾” 現(xiàn)象。原因是隨著CFP填充量的增加，CFP彼此間搭接形成網(wǎng)絡(luò)的幾率增大，復(fù)合體系內(nèi)形成了較完整的CFP導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。之后，填料含量的增加對復(fù)合材料體積電阻的影響趨于平緩。碳纖維的長度對復(fù)合材料的導(dǎo)電性能有顯著影響 。由圖1知，CPF含量相同、長度不同時，復(fù)合材料的P、，也不同。P100 CFP填

10、充的試樣的滲濾域值約為10，而長度較大的P400 CFP填充的試樣約為8。這是因為長度越大，纖維搭接為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的幾率越大，形成網(wǎng)絡(luò)需要的纖維量就越小，從而降低了導(dǎo)電復(fù)合材料的滲濾域值。22 CFP用量和長度對CFPEP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響趟驥蠢耐星咖1翅；趟教蠢耐璧靜目趟驥懵是圖2 CFP的用量和長度對EPCFP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig 2 Efect of CFP content and length on mechanicalproperties of compo site圖2為CFP的用量和長度對EPCFP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。由圖2可知，P100 CFP填充試樣的拉伸強度、拉伸

11、彈性模量和沖擊強度隨CFP含量的增加而增大，在CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10后性能提升更為顯著；當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 時，材料的上述力學(xué)性能出現(xiàn)最大值，分別為443 MPa、991 MPa和614 kJm2， 分別比EP提高了124、186 和987 ；但當(dāng)CFP質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到30時，出現(xiàn)了突降。復(fù)合材料的彎曲強度則隨著CFP用量的增加略有減小，在CFP用量超過10以后又不斷上升，在CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 時，增至120 MPa，比EP提高了675。原因如下：在纖維增強樹脂復(fù)合材料中，基體樹脂通過界面將應(yīng)力傳遞給高強度纖維，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能l3。當(dāng)CFP質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10時，基體內(nèi)的纖維數(shù)目較

12、少，承受的應(yīng)力也相對較少，此時基體不但傳遞應(yīng)力，自身也承受著維普資訊 · 56 · 塑料工業(yè) 2006筵一定的應(yīng)力 l，所以材料的力學(xué)性能提升較慢。纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10后，隨著基體內(nèi)纖維數(shù)量的增加，纖維承受了主要應(yīng)力，樹脂主要起傳遞應(yīng)力的作用，所以復(fù)合材料的力學(xué)性能提升幅度增大。但隨著CFP含量的增加，復(fù)合體系中纖維比例加大，體系粘度升高，纖維不能很好地分散，相互摩擦、纏結(jié)，容易形成纖維束，使外力作用不能被有效分散，造成應(yīng)力集中，成為斷裂源，從而降低了復(fù)合材料力學(xué)性能；另外，隨著纖維數(shù)目的增多，越來越多的纖維難以被樹脂充分潤濕，它們會在復(fù)合材料中形成許多弱粘結(jié)面，在材料受

13、力時發(fā)生弱界面的脫附拔出，使應(yīng)力傳遞失效，不能對材料起到力學(xué)補強作用，因此當(dāng)CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至30時，材料的拉伸性能和沖擊性能下降。由圖2還可知，在配比相同時，除個別配比外，P-400 CFP填充試樣的各項力學(xué)性能均低于P100填充試樣。這是因為P-400 CFP長度較大，約為P-100型的2 5倍，當(dāng)EP熔體流動時，纖維之間產(chǎn)生的摩擦力較大，降低了EP流動性能，使體系粘度增大。實驗中，當(dāng)P400 CFP填充量大于15時，復(fù)合材料因為粘度過大，不再適合澆注成型，而P100 CFP則可以添加到30。體系粘度的增大使纖維的浸膠性變差，一方面纖維容易纏結(jié)成為纖維束，不能均勻地分散同基體充分接觸；另

14、一方面纖維的潤濕性降低，使材料界面粘結(jié)質(zhì)量下降，所以P400 CFP對EP的力學(xué)補強作用不如P100 CFP。23 EPCFP的形貌分析aEP bEPCFP (20)囹3 EPcFP (P-100)復(fù)合材料試樣拉伸斷面的SEM照片F(xiàn)ig 3 SEM photographs offi'aeture surfaces ofEP andEPCFP (P-100)composite圖3為EPCFP(P100)復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片。由圖3a知，EP發(fā)生的是脆性斷裂，斷口平整，裂紋呈河流狀且較為有序。由圖3b知，EPCFP(20)斷面凹凸不平，基體上有云片狀扯起形貌，表明材料的韌性有所提高

15、；同時纖維在EP中分散性好，大多為單根分布，而且與EP粘結(jié)緊密，粘結(jié)邊緣幾乎沒有縫隙，斷面留有少量CFP的拔出孔洞。這是由于P100 CFP為微米級粉體，比表面積較大，且與EP主要呈單根接觸，接觸面積較大，兩相間的結(jié)合力相應(yīng)較大。不過也有少量的CFP與EP粘結(jié)性差，材料破壞時，與EP發(fā)生界面脫附，在斷面留下了較深的拔出孔洞，但P100 CFP粉體形狀細(xì)小，含量較大時，材料內(nèi)纖維根數(shù)很多且分布均勻，總體上復(fù)合材料的力學(xué)性能提升。24 EPCFP的TG熱性能分析表1 TG曲線分析結(jié)果Tab 1 Results of TG curve analysis樹脂受熱而裂解氣化時的溫度稱之為熱分解溫度，它是

16、表征物料熱穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)之一 】。從表1可看出，復(fù)合材料的 l0、 0隨CFP含量的增加變化不大。而 隨著CFP含量的增加緩慢升高。當(dāng)CFP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30，復(fù)合材料的 為4546，比純EP分解溫度高78 ，這可能是因為CFP在體系中的網(wǎng)狀分布對EP的熱降解起著阻礙作用；另外CFP提高了基體的熱傳導(dǎo)率，材料受熱更均勻，不易出現(xiàn)局部過熱分解，致使復(fù)合材料熱降解滯后。可見增加CFP用量，能提高EP的熱穩(wěn)定性，但幅度不大。3 結(jié)論1)磨碎碳纖維對復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能同時進行有效的補強。同等含量下， 長度較大的CPF對EPCFP材料的導(dǎo)電性增強效果較好；但對材料的力學(xué)性能補強效果較弱。2)P1O

17、d CFP顆粒較為微小，易于在樹脂中分散潤濕，是較為理想的制備具有良好力學(xué)性能導(dǎo)電復(fù)合材料的填料。利用25P 100 CFP填充EP，EPCFP材料的體積電阻率較EP降低了9個數(shù)量級，約為134 X 10 Q·cm；拉伸強度、拉伸彈性模量、沖擊強度和彎曲強度較EP分別提高了124、186、987和667，同時材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。參考 文 獻1 彭煥鼎，萬樂生，吳小梅等玻璃纖維，1997，(6)：5(下轉(zhuǎn)第69頁)維普資訊 第34卷第8期 馬素德等：一種制備梯度型聚合物光纖預(yù)制棒的新方法及其折射率分布的調(diào)控 ·69·rR =0005， n=15 198， l=

18、04 245；rR =00502， n= 15 187， X2=04 100；rR =0204， n=15 140， X3=03 419；rR =0406， n= 15 050， 4=02 137；rR =0608， n=14 965， X5=00 926。瓣菸$歸一化半徑圖3 分3層聚合時預(yù)聚物與理想分布折射率的對比Fig 3 Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 3 layers瓣菸$歸一化半徑圖4 4層聚合時預(yù)聚物與理想分布折射率的對比Fig 4 Refractive ind

19、ices contrast betw een optimM distributionand prepolymers for 4 layers實驗時據(jù)此配料，輔以合適的反應(yīng)溫度和時間，就可以制備出具有理想折射率分布曲線的梯度型塑料光纖預(yù)制棒。事實上，由于下一層預(yù)聚物加人時其前面一層聚合物薄層尚未完全固化，并且剛加人的預(yù)聚物對前面的聚合物薄層有溶脹作用，二者可以相互融合、擴散，因而最終所得預(yù)制棒中折射率的實際分布曲線并非是圖中所示的階梯狀分布而是平滑的分布曲線，而這種效果正是獲得高質(zhì)量的梯度型塑料光纖預(yù)制棒所必須的。由圖5看出，最終的GIPOF預(yù)制棒中折射率的分布曲線與理性分布曲線非常接近，理論計

20、算與實驗現(xiàn)象比較吻合，說明上面采取的簡單化處理是可行的。瓣蒸歸一化半徑圖5 5層聚合時預(yù)聚物與理想分布折射率的對比Fig 5 Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 5 layers3 結(jié)論采用多層離心共聚的新方法來制備GIPOF預(yù)制棒，其RID曲線可以自如的調(diào)控，所得光纖的帶寬性能必然有相應(yīng)的提高。理論計算與實驗事實都表明所用預(yù)聚物層數(shù)越多，最終所得GIPOF預(yù)制棒的折射率分布曲線越接近理想分布。通過理想分布曲線對每一層預(yù)聚物的折射率值及物料配比進行了計算，據(jù)此配料就可以得到RID非常接近理想分布的GIPOF預(yù)制棒。參 考 文 獻1 Chen W C，Chang Y，Wei