体能训练器械引入改性碳纤维复合材料的性能测试研究_谢丁弈辰.pdf

学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers材料科技应用体能训练器械引入改性碳纤维复合材料的性能测试研究谢丁弈辰（长安大学，陕西 西安710064）摘要：采用分子沉淀法在碳纤维表面接枝碳纳米管进行改性，制备了体能训练器械用碳纤维复合材料。对比分析了未改性和接枝改性碳纤维及其复合材料的显微形貌、拉伸性能和冲击性能。结果表明，碳纤维在接枝表面改性后，表面形成了含O和含N的官能团，且随着接枝层数增多，碳纤维表面接枝CNTs逐渐增多，未发生明显团聚。改性碳纤维的单丝拉伸强度、界面剪切强度会得到不同程度提高；经过接枝改性处理后，改性碳纤维复合材料的碳纤维复合材料的冲击形成功、裂纹扩展功和总冲击功都有不同程度提高，且随着接枝改性层数的增加，改性碳纤维复合材料的碳纤维复合材料的冲击形成功、裂纹扩展功和总冲击功都逐渐增大。接枝改性处理有助于提升碳纤维单丝和复合材料的力学性能。关键词：碳纤维复合材料；接枝改性；表面形貌；力学性能；断口形貌中图分类号：TQ327.3；TS952文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）03-0073-05Performance study of carbon fiber composites modifiedphysical training equipmentXIE Dingyichen（Chang an University，Xi an 710064，China）Abstract:Carbon fiber composites for physical training instruments were prepared by molecular precipitation method based oncarbon fiber coating Grafted Carbon Nanotubes（CNT）.The microstructure，tensile properties and impact properties of unmodified and grafted carbon fibers and their composites were compared and analyzed.The results showed that after grafting surface modification，functional groups containing O and N were formed on the surface of carbon fiber，and with the increase of grafting layers，the number of grafted CNTs on the surface of carbon fiber gradually increasedwithout obvious agglomeration.After grafting modification，the monofilament tensile strengthand interfacial shear strength of the modified carbon fiber were improved to varying degrees.After grafting modification，the impact forming success，crack propagation energy and total impact energy of the carbon fiber composite ofthe modified carbon fiber composite were increased to varying degrees，and with the increase of the number of grafting modification layers，the impact forming success，crack propagation energy and total impact energy of the carbonfiber composite of the modified carbon fiber compositewere gradually increased.Grafting modification is helpful toimprove the mechanical properties of carbon fiber monofilament and composites.2023 年 3 月第 50 卷第 3 期doi:10.3969 j.issn.1001-5922.2023.03.018Vol.50 No.03，Mar.2023收稿日期：2022-08-13；修回日期：2023-03-03作者简介：谢丁弈辰（1995-），男，硕士，助教，研究方向：训练器材等；E-mail：。引文格式：谢丁弈辰.体能训练器械引入改性碳纤维复合材料的性能测试研究J.粘接，2023，50（3）：73-77.73书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接材料科技应用国民经济的快速发展和人们对健身重视程度的逐年提高，给体能训练器械带来了巨大发展机遇。其中，碳纤维及其复合材料由于具有质量轻、强度高、耐腐蚀性能好、耐磨损和耐疲劳性能优异等特性而被广泛应用于不同场合的体能训练器械中1，尤其是随着近年来体育运动爱好者对体能训练器械要求的提高，传统的部分金属器械正在逐渐被碳纤维复合材料器械所取代2，并受到广大体能训练者的青睐。然而，目前碳纤维复合材料多采用碳纤维与树脂基复合而成，由于碳纤维的惰性极强，制备成形过程中会造成二者界面结合力较差而影响整体使用性能3，有必要对碳纤维进行表明改性处理以增强其与树脂基的结合能力4。其中，化学接枝法可以将碳纳米管与碳纤维相连接并提高结合强度，在克服物理改性方法弊端的基础上可有效发挥跨尺度增强体的个体优势，虽然目前对碳纤维进行表面改性处理的研究已有较多报道5；但是关于采用化学接枝法对碳纤维进行表明改性方面的研究报道较少6，具体作用机理也不清楚。在此基础上采用分子沉淀法在碳纤维表面接枝碳纳米管进行改性，制备了体能训练器械用碳纤维复合材料，对比分析了未改性和接枝改性碳纤维及其复合材料的显微形貌、拉伸性能和冲击性能，结果将有助新型体能器械用碳纤维复合材料的开发及推广应用。1试验材料与方法1.1试验材料试验材料包括碳纤维（直径 6 m、线密度162 mg/m、孔数3K、密度1.75 g/cm3）、多壁碳纳米管（直径25 nm、长度2 m、纯度98%）、环氧树脂（环氧值0.50）、固化剂3，3-二乙基-4，4-二氨基二苯基甲烷、缩合剂2-（7-偶氮苯并三氮唑）-N，N，N，N-四甲基脲六氟磷酸酯、分析纯过硫酸钾、分析纯硝酸银、分析纯N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、分析纯四氢呋喃（THF）。1.2试样制备对碳纤维进行改性前对碳纤维进行清洗：置于装有丙酮的提取器中回流抽提68 h，转入干燥箱中进行78 干燥，得到未改性处理的碳纤维（CF）；将经过清洗后的碳纤维浸入 0.15 mol/L 过硫酸钾+0.015 mol/L 硝酸银混合溶液中，温度为68、时间60 min，结束后用去离子水清洗，转入干燥箱中进行88 干燥，得到氧化纤维；将CFCOOH浸入四氢呋喃（THF）溶液中，多次洗涤和78 真空干燥后，用N，N-二甲基甲酰胺（DMF）反复洗涤用在干燥箱中进行88 干燥，得到CFCNTCOOH；采用分子沉淀法在碳纤维表面接枝碳纳米管，接枝三聚氰胺分子层改性1次的碳纤维复合材料称为CFMCL1，依次类推得到CFMCL2和CFMCL3。1.3测试方法采用Nexus 670 型红外光谱仪对改性碳纤维进行红外光谱分析；采用Quanta 200FEG型扫描电镜对碳纤维表面形貌和断口形貌进行观察；采用BZY-4B型表面/界面测试仪对碳纤维复合材料进行浸润性测试，分别测试去离子水和二碘甲烷中的接触角和表面能；参照ASTMD3397标准，在Instron 5500R型万能材料试验机上进行拉伸强度测试，拉伸速率为5 mm/min，结果为6根试样平均值；采用模压成型法制备碳纤维/环氧树脂复合材料并制备成碳纤维复合材料样条，在MidekHM410型界面测试系统和9250型冲击韧性测试系统中测试界面剪切强度和室温冲击性能，结果取6根试样的平均值。2结果与分析2.1组织结构图1为改性碳纤维的红外光谱图和C1s分峰拟合图；表面改性后碳纤维基团的相对含量列于表1。从全谱图1可见，无论是CFMCL1、CFMCL2还是CFMCL3，全谱图中都可见C1s（285.7 eV）、N1s（400.9 eV）和O1s（532.3.7 eV）特征吸收峰，这主要是因为在对碳纤维进行表面改性后，碳纤维表面形成了含O和含N的官能团的缘故；对比分析还可知，随着改性层的增加，表面改性后碳纤维表面的N1s和O1s特征吸收峰强度有所增大，且氧含量提高幅度较为显著，这主要是因为碳纤维表面改性过程中引入了COOH所致6，且层数越多这种表面官能团含量越大。从分峰拟合图中可见，CFMCL1、CFMCL2还是CFMCL3都存在6个不同的特征吸收峰；对于 CFMCL1，CC（1）、CC（2）、CN、C=N、NHCO和-COOH的原子百分含量分别为64.12%、7.70%、8.45%、6.59%、5.74%和 7.40%；对于 CFMCL2，CC（1）、CC（2）、CN、C=N、NHCO和COOH的原子百分含量分别为59.93%、7.63%、9.58%、8.08%、6.16%和 8.42%；对于 CFMCL3，CC（1）、CC（2）、CN、C=N、NHCO和COOH的原子百分含量分别为 54.09%、8.75%、10.47%、8.58%、7.73%和10.78%。可见，随着改性层数增加，CC（1）含量减小，CC（2）、CN、C=N、NCO和Keywords:carbon fiber composites；grafting modification；surface morphology；mechanical properties；fracture morphology74学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers材料科技应用（b）峰强/a.u.峰强/a.u.峰强/a.u.292 290288286284282 280（d）能量/eV292 290288286284282 280（f）能量/eV（e）能量/eV8006004002000（a）（c）能量/eV峰强/a.u.8006004002000能量/eV292 290288286284282 280（b）能量/eV（a）峰强/a.u.峰强/a.u.8006004002000图1改性碳纤维的红外光谱图和C1s分峰拟合图Fig.1 Infrared spectrum and C1s peak fitting diagram of modified carbon fiber表1图1中各基团的相对含量Tab.1Relative content of each group in Fig.1项目CFMCL1/%CFMCL2/%CFMCL3/%CC（1）64.1259.9354.09CC（2）7.707.638.75CN8.459.5810.47C=N6.598.088.58NHCO5.746.167.73COOH7.408.4210.78COOH含量逐渐增大，这主要是因为在对碳纤维进行表面改性过程中，NH2与会COOH发生反应的缘故7。图2为改性碳纤维的表面形貌。3 m3 m3 m3 m（a）未改性（b）CFMCL1（c）CFMC-L2（d）CFMCL3图2改性碳纤维的表面形貌Fig.2Surface morphology of mod