碳纤维增强环氧树脂/丙烯酰胺复合材料性能的研究

      碳纤维是由黏胶、沥青或聚丙烯腈等有机纤维在N2、Ar 等惰性气氛中经1500℃高温碳化所形成的纤维状聚合物碳，其含碳量为90%~99%（质量分数）。碳纤维不仅质量轻、比强度高、比模量高（抗拉、抗弯、抗扭）、导电、传热、耐疲劳，而且适应环境能力超强，对化学药剂的抗腐蚀能力突出，享有“21 世纪最有生命力新型材料”的美誉[1]。环氧树脂（Epoxy Resin）泛指含有两个或两个以上环氧基团，以脂肪族或芳香族链段为主链的高分子预聚物，是一种环氧低聚物，通常是液体状态，它本身是热塑性、线型高分子树脂，交联固化后会形成三维网状结构。由于环氧树脂固化产物具有良好的拉伸性能、热稳定性、突出的耐化学腐蚀性及优越的尺寸稳定性，因而广泛应用于涂料、复合材料、高性能胶黏剂、电绝缘材料等领域[2]。
      碳纤维增强环氧树脂复合材料是以碳纤维为增强体，环氧树脂为树脂基体，通过一定的成型工艺复合而成的一类高性能新型材料，其性能优于各组分性能。由于碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐摩擦磨损、耐腐蚀、便于大面积整体成型等特点，已广泛应用于国防工业、航空工业、土木建筑、清洁能源、交通运输、体育器材等领域[3,4]。
      1 ·实验部分
      1.1 原料与试剂
      短切碳纤维和环氧树脂均由连云港中复神鹰碳纤维有限责任公司提供。丙烯酰胺、丙酮以及其它分析纯试剂均购于上海国药化工公司。
      1.2 样品制备
      将短切碳纤维（SCF）分散于丙酮溶液中，随后将碳纤维的丙酮溶液超声分散20 min。在机械搅拌条件下，将环氧树脂（EP）溶解于丙酮溶液中，待环氧树脂完全溶解后，将丙烯酰胺（AM）添加到环氧树脂溶液中。紧接着，将分散均匀的碳纤维丙酮溶液加入到EP/AM 混合溶液中，在机械搅拌下得到均匀的混合液。再将EP、AM、SCF 的混合液在60℃条件下机械搅拌2 h，随后转移到真空箱中，在30℃条件下真空脱气1 h，以完全除去丙酮。最后将得到的粘性混合物倒入内壁涂有真空硅脂的模具中，放入烘箱，100℃下固化1 h，然后150℃下固化1 h。将固化得到的样条冷却到室温条件下脱模。根据短切碳纤维含量的不同，将样品予以编号，例如SCF8/EP-AM 代表短切碳纤维的质量分数为8 wt%。
      1.3 测试与表征
      SCF/EP-AM 复合材料的力学性能采用三点弯曲性能进行表征，参照标准为GB/T 2567-2008，试验机型号为CMT6503 万能试验机（上海三思“SANS”测试仪器有限公司）。样条的尺寸为80 mm × 15 mm× 4 mm，样条的测试条件为跨距64 mm，加载速度为10 mm/min，并且样条尺寸的测量精度达到0.02 mm。
      摩擦磨损测试在HT-1000 型球- 盘摩擦磨损试验机上进行，测试样品尺寸为Φ20 mm× 2 mm，摩擦副为直径6 mm 的钢球，测试温度为室温，旋转轴转速为1000 rpm、1500 rpm 和2000 rpm，载荷为10 N、15 N、20N, 测试半径为2 mm, 持续时间为40 min。取5~20 min的摩擦系数平均值作为测试样品在摩擦状态下的摩擦系数。复合材料的体积磨损率由下面的公式计算[5]:
           
      式中：△m 指磨损量（g），ρ 指测试样品密度（g/cm3），N 指载荷（N），r 指旋转半径（mm），T 指测试时间（min），V 指旋转速度（r/min）。样品（表面喷金后） 的磨损表面形貌特征通过VEGA3 LMU（TESCAN, CzechRepublic）型扫描电镜测试。
      2· 结果与讨论
      2.1 碳纤维增强环氧树脂/ 丙烯酰胺复合材料的力学性能
             
      图1 显示的是SCF/EP-AM 复合材料的弯曲强度和弯曲模量随碳纤维含量的变化图。由图1 可知，碳纤维的添加可明显提高复合材料的弯曲强度和弯曲模量，复合材料的弯曲性能随着碳纤维含量的增大先增大后降低，当碳纤维含量为8 wt%时，复合材料的弯曲强度和弯曲模量达到最大值。碳纤维是高性能纤维中比强度和比模量最高的纤维，将碳纤维用作增强填料添加到树脂中，能够制备出高强度、高模量、抗疲劳等综合性能优良的复合材料[6]。因此，碳纤维的添加能够增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量。而当碳纤维含量高于8 wt%后，碳纤维在环氧树脂基体中的分散性降低，导致应力集中，致使复合材料的弯曲性能降低。
      2.2 碳纤维增强环氧树脂/ 丙烯酰胺复合材料的摩擦学性能
      SCF/EP-AM 复合材料在稳定摩擦阶段的平均摩擦系数和磨损率如图2 所示。由图2 可知，碳纤维的添加可有效提高复合材料的摩擦磨损性能，复合材料的摩擦系数和磨损率随碳纤维含量的增大而降低。添加碳纤维后，碳纤维大大提高了环氧树脂基体的强度、模量，刚性的碳纤维能够将摩擦面上的应力和载荷传递到环氧树脂基体，因此碳纤维的添加能够有效降低复合材料的摩擦系数[7,9]。丙烯酰胺的添加能使碳纤维和环氧树脂之间具有良好的界面相容性，碳纤维对环氧树脂基体的强化作用使复合材料的强度大大增加，碳纤维具有良好的热导率会增强复合材料摩擦表面热量的扩散，因此碳纤维的添加能够大大提高复合材料的耐磨性。
             
       图3 为SCF/EP-AM 复合材料的磨损表面特征SEM 图。图3 A 显示磨损表面出现了很深的犁削磨损沟槽，基体破裂和脱落现象比较严重，说明SCF0/EP-AM3复合材料的磨损机理为磨粒磨损。3-4（B、C、D）的磨损表面比较相似，可见环氧树脂基体的塑性变形和粘着块，同时也有树脂基体被切削掉。说明SCF5/EP-AM3、SCF8/EP-AM3 、SCF10/EP-AM3 复合材料的磨损机理为粘着磨损和切削磨损。由此可见，随着SCF 含量的增加，SCF/EP-AM3 复合材料的磨损机理由磨粒磨损向粘着磨损转变。
           
       3 ·结论
       SCF/EP-AM 复合材料的弯曲性能随着碳纤维含量的增大先增大后降低，当碳纤维含量为8 wt%时，复合材料的弯曲强度和弯曲模量达到最大值。SCF/EP-AM复合材料的摩擦系数和磨损率随着碳纤维含量的增大而降低，碳纤维的添加能够有效改善复合材料的摩擦磨损性能。随着碳纤维含量的增加，SCF/EP-AM 复合材料的磨损机理由磨粒磨损向粘着磨损转变。