挤压力对CF_EP复合材料微观结构与弯曲性能的影响.pdf

研究与开发合成纤维工业,2023,46(2):24CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY 收稿日期:2022-10-19;修改稿收到日期:2023-02-14。作者简介:张育洋(1991),男,助教,硕士,现从事碳纤维复合材料研究。E-mail:344636439 。基金 项 目:陕 西 省 教 育 厅 科 学 研 究 计 划 项 目 资 助(22JK0266)。挤压力对 CF/EP 复合材料微观结构与弯曲性能的影响张育洋1,马玉钦2,王 浩2,王英皓2,张 战3(1.陕西工业职业技术学院 航空工程学院,陕西 咸阳 712000;2.长安大学 工程机械学院 道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064;3.咸阳市知识产权局,陕西 咸阳 712000)摘 要:以 E44 环氧树脂(EP)为基体、T700 单向碳纤维(CF)布为增强体,在挤压力为 15 MPa 条件下,采用液态浸渗的方法制备 CF/EP 复合材料层合板,研究了挤压力对 CF/EP 复合材料层合板微观组织及弯曲性能的影响。结果表明:挤压力过低影响 EP 基体的浸渗效果,CF 不能发挥增强体作用,挤压力过高会将已经浸渗到 CF 预制体的 EP 被部分压出;挤压力为 3 MPa 时,EP 基体在 CF 中浸渗充分且均匀,纤维与基体结合紧密,浸渗效果好,有效增强了复合材料的承载能力;随着挤压力的增大,CF/EP 复合材料的弯曲强度和最大弯曲力均呈现先增大后降低的趋势,当挤压力为 3 MPa 时,CF/EP 复合材料的弯曲强度和最大弯曲力均最大,分别为 465 MPa、383.17 N;制备 CF/EP 复合材料层合板的最佳挤压力为 3 MPa,此时复合材料断裂整齐,基体的断裂模式为韧性断裂,复合材料的弯曲性能最佳。关键词:碳纤维 环氧树脂 复合材料 液态浸渗 挤压力 微观结构 弯曲性能中图分类号:TQ342+.742 文献标识码:A 文章编号:1001-0041(2023)02-0024-05 复合材料是两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。碳纤维(CF)力学性能优异1-2,可以在碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料中作为增强体使用,采用液态浸渗法可以很好地增加基体浸渗增强体的深度,被认为是制备 CF/EP 复合材料层合板的最有效方法之一。在工业生产及应用中,主要利用的是 CF/EP复合材料的轻质高强的性能,因此复合材料的弯曲强度(f)是该材料的一个重要指标3。复合材料 f的影响因素有挤压力、纤维的表面改性、固化温度、固化时间等。为了制备性能优良的CF/EP 复合材料,需要将基体充分均匀地渗透到CF 中,通过施加挤压力能使基体 EP 顺利浸渗CF,促进基体与增强体的结合。基体在二维 CF预制件中的浸渗效果在一定程度上取决于挤压力4。挤压力过低,二维 CF 预成形件中的基体浸渗不充分、不均匀、效果差,CF 增强体无法发挥增强作用;挤压力过高,复合材料会产生裂纹,则CF/EP 复合材料弯曲性能差。由此可见,挤压力是制备 CF/EP 复合材料层合板的重要工艺参数之一,研究挤压力对复合材料性能的影响对寻找合理的工艺参数具有重要意义。目前,国内很多学者在固化工艺、纤维表面改性、挤压力等方面研究提升了 CF/EP 复合材料的f。在固化工艺方面,杨洋等5研究了预浸料的固化行为,通过实验发现缓慢升温的方式可以控制复合材料制件内部的固化集中放热现象;M.E.KARKHANEHCHIN 等6通过实验验证了降低挤压速度可提高复合材料的抗拉强度;高雄等7对比 3 种典型结构三维机织 CF 复合材料的弯曲性能,发现三维正交结构的弯曲性能最佳。在纤维表面改性方面,范文州等8引入纳米蒙脱土改性CF 与 EP 界面的结合强度,发现改性后 CF/EP 复合材料单轴向弯曲应力提高了 69.6%;A.K.PATHAK 等9为了提高 CF/EP 复合材料的 f,在复合材料中添加氧化石墨烯,当氧化石墨烯质量分数为 0.3%时,复合材料的 f提高了 66%;LIU L 等10采用共价键接枝石墨烯改性提高复合材料界面性能,与原始复合材料相比,f提升了28.7%;乔允允等11 通过混杂铺丝及热压的方法制备 出 CF/聚 苯 硫 醚 热 塑 性 复 合 材 料,发现丙酮处理可以有效去除 CF 的上浆剂,提升复 合 材 料 的 力 学 性 能。在 挤 压 力 方 面,R.VENUGOPALAN 等12使用液态酚醛树脂渗透二维预坯,结果表明随着挤压力的增加,复合材料的孔隙率降低,液态酚醛树脂基体与预坯的结合有一定程度的改善,而入渗时间对孔隙率影响不大;GUAN J T 等13等研制了一种动态测量装置,计算并测量了镁合金渗透纤维预制件的临界挤压力;L.J.MASUR 等14分析了不同金属材料的浸渗行为,从流体理论层面得出液态金属浸渗纤维预制件的临界挤压力规律。上述 CF/EP 复合材料的研究中,复合材料挤压浸渗的过程往往存在 CF 丝束间隙不均、基体浸渗路径复杂、基体在浸渗过程中会受到多种阻力影响浸渗性能、基体内部气泡难以排出等问题,这些问题会直接影响复合材料的浸渗效果,进而导致试件的力学承载能力较差。因此,针对这些问题,作者提出了适用于 CF/EP 复合材料制备的真空浸渗热压工艺,采用液态浸渗法制备了 5 组不同挤压力的 CF/EP 复合材料,通过分析各组试件的浸渗微观组织,探讨了挤压力对复合材料渗流行为及微观组织的影响;在此基础上结合 f测试及试件的失效行为,获得了制备 CF/EP 复合材料的最佳挤压力,为制备理想组织性能的 CF/EP复合材料奠定了基础。1 实验1.1 原料T700 单向 CF 布:抗拉强度为 3 920 MPa,伸长率为1.71%,f为754 MPa,日本东丽株式会社生产;E44 环氧树脂:无机氯含量小于等于 50 g/g,南通星辰合成复合材料有限公司生产;T-31固化剂:相对密度 1.07,南通星辰合成复合材料有限公司生产。1.2 主要设备及仪器DNS100 型电子万能试验机:长春机械研究院制;KQ5200DE 型数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司制;DZF 型真空干燥箱:北京科伟永兴仪器有限公司制;LR8431-30 数据采集仪:HIOKI日置(上海)测量技术有限公司制;JSM-6390A 高真空分析型扫描电镜:日本电子株式会社制。1.3 CF/EP 复合材料的制备首先,将 T700 单向 CF 布剪裁成尺寸为60 mm15 mm 的长方形片备用;然后将质量比为15 的 T-31 固化剂与 E44 环氧树脂搅拌均匀混合配置基体溶液,在 CF 布的两侧均匀涂覆配置好的基体溶液;再将 CF 布铺层,共叠放 4 层,施加压力将其预压实;将叠层 CF 自然固化 2 h 后放在 80 的恒温干燥箱中,设置真空度为-0.09 MPa,保温 90 min 后将叠层 CF 取出,放入温度为30 60 的模具内,施加不同的挤压力,保压3 min 后停止加压和加热,当温度恢复正常室温后,取出制备件,得到 CF/EP 复合材料层合板。1.4 分析与测试微观结构:将试样清洗并晾干,对试样进行喷金处理,采用 JSM-6390A 高真空分析型扫描电镜观察试样的浸渗组织,放大倍数为 100。弯曲性能:按照 GB/T 33562014定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法的要求进行三点弯曲试验,采用 DNS100 型电子万能试验机测试不同挤压力下 CF/EP 复合材料层合板的弯曲性能,加载头与支座半径均为 5 mm,跨厚比为 321,加载速度为 5 mm/min,试件尺寸为 60 mm15 mm2 mm,按式(1)计算复合材料的 f。f=3PL2h2(1)式中:P 为最大破坏载荷,h 为试样厚度,L 为跨距,为试样宽度。2 结果与讨论在 CF/EP 复合材料层合板中,CF 作为增强体提高层合板的抗拉性能,EP 作为基体传递均分载荷。挤压力是制备高性能复合材料的关键,研究表明,制备复合材料时所需的最小外加挤压力约为 0.5 MPa,如果挤压力小于 0.5 MPa,则无法完成浸渗15。为了得到较佳性能的 CF/EP 复合材料层合板,控制其他因素不变,设定挤压力分别为 1,2,3,4,5 MPa,通过单因素实验研究挤压力对CF/EP 复合材料层合板微观结构与性能的影响。2.1 挤压力对复合材料微观组织的影响由图 1 可以看出:如图 1a 所示,当挤压力为1 MPa 时,只有少量 EP 浸渗到 CF 预制体中,预制体中有基体分布,但纤维体中基体含量较低,浸渗效果不理想,CF 纤维束与纤维束之间存在明显间隙,CF 纤维束呈现暗黑色,基体 EP 呈现灰白色,在纤维束内树脂很少;如图 1b 所示,当挤压力为 2 MPa 时,浸渗到 CF 预制体中的 EP 明显增加,已经浸渗的区域颜色也较挤压力为 1 MPa 时52第 2 期 张育洋等.挤压力对 CF/EP 复合材料微观结构与弯曲性能的影响更白更亮,EP 含量仍然较低,还没有完全浸渗到CF 预制体内,但与挤压力为 1 MPa 时相比,纤维分布更加合理,相对有序;如图 1c 所示,当挤压力为 3 MPa 时,CF 纤维束上分布大量 EP 且分布均匀,CF 预制体与基体结合较为紧密,纤维与基体浸渗效果良好,纤维束被 EP 基体紧密包围,已浸渗的区域的颜色较挤压力为 2 MPa 时白色部分明显增多且亮度增强,复合材料断裂整齐,部分纤维被拉断,部分纤维被拉出,拔出的纤维数量和长度相当可观;如图1d 所示,当挤压力为4 MPa 时,EP 浸渗效果较挤压力为3 MPa 时明显降低,浸渗到 CF 预制体中的 EP 明显减少,白色区域明显减少,CF 被压乱,仔细观察会发现有细小裂纹,EP浸渗效果相对挤压力为 3 MPa 时较弱;如图 1e 所示,当挤压力为 5 MPa 时,EP 浸渗效果较挤压力为 4 MPa 时明显降低,浸渗到 CF 预制体中的 EP很少,白色区域基本消失,原因是继续增加挤压力后,浸渗到 CF 预制体的 EP 被挤出,导致预制体内 EP 减少,浸渗效果降低,EP 含量降低,使得 CF不能有效地发挥增强作用,EP 基体树脂不能充分发挥传递载荷的作用,纤维的断裂伴随着基体的开裂。图 1 不同挤压力时 CF/EP 复合材料层合板的微观结构Fig.1 Microstructure of CF/EP composite laminates under different extrusion pressures2.2 挤压力对复合材料弯曲性能的影响对 CF/EP 复合材料层合板进行三点弯曲试验,测试不同挤压力下复合材料层合板的弯曲性能。当挤压力为 1 MPa 时,三点弯曲试验中复合材料的断裂过程及应力分布如图 2 所示,通过计算得到复合材料的 f仅为 145 MPa,由于基体EP 浸渗的充分性和均匀性较差,使得 CF 不能有效地发挥增强作用,基体 EP 不能充分发挥传递载荷的作用,从而影响复合材料的性能。适当增大挤压力,进一步观察基体在二维 CF 预制件中的浸润效果及复合材料弯曲性能的变化,当挤压力为 2 MPa 时,对复合材料进行三点弯曲试验,虽然浸渗基体 EP 有所增加,但基体 EP 含量仍然不够,基体 EP 发挥传递载荷作用较挤压力为 1 MPa 时有所提高,复合材料的 f为 215 MPa,其性能仍有待提高。图 2 挤压力为 1 MPa 时 CF/EP 复合材料的断裂过程及应力分布Fig.2 Fracture process and stress distribution of CF/EPcomposite at an extrusion pressure of 1 MPa继续增大挤压力,进一步观察基体 EP 在二维 CF 预制件中的浸润效果及复合材料弯曲性能的变化。当挤压力为 3 MPa 时,三点弯曲试验结果表明复合材料的断裂过程及应力分布如图 3 所示,复合材料断裂整齐,部分 CF 被拉断,部分