碳纤维环氧树脂复合材料的制备及性能研究

1、碳纤维碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能环氧树脂复合材料的制备及性能 研究研究班级：材料班级：材料141姓名：刘树宣姓名：刘树宣专业：材料科学与工程专业：材料科学与工程指导教师：于景媛指导教师：于景媛绪论绪论环氧树脂的特性环氧树脂的特性 环氧树脂通常是具有两个及两个以上环氧基团，与固化剂反应后形成三维网状结构的热固性材料。环氧树脂固化后不仅热性能、机械性能和电气性能优异还具有突出的尺寸稳定性、耐化学药品性、耐湿热性及耐腐蚀性，已广泛用于表面涂料、结构胶黏剂、印刷电路板、电子绝缘材料及先进复合材料等。 本文的研究意义本文的研究意义 本文研究在环氧树脂的基体中加入碳纤维，利用碳纤维良好的性能来提

2、高环氧树脂材料的强度和韧性，本文主要研究碳纤维/环氧树脂基复合材料的固化工艺。观察碳纤维、改性碳纤维、固化剂含量对碳纤维环氧树脂基复合材料压缩、弯曲的影响。观察碳纤维/改性碳纤维/环氧树脂基复合材料在高温时的尺寸稳定性。研究碳纤维/改性碳纤维/环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能。实验内容实验内容 实验原料 环氧树脂、环氧树脂固化剂、偶联剂、碳纤维、改性碳纤维 实验所需设备 干燥箱、电子天平、环块摩擦试验机、电子万能试样机、体式显微镜实验过程 1、环氧树脂样品的制备 （1）用天平和烧杯称量一定量的环氧树脂，用一定量分散剂稀释备用。 （2）用烧杯称量所需质量的固化剂（质量分数分别为20 wt%、25

3、 wt%、30 wt%、35 wt%），倒入环氧树脂烧杯中，均匀搅拌混合样品，常温下固化制得环氧树脂样品。 2、碳纤维/环氧树脂样品制备： （1）称取所需质量的碳纤维备用，碳纤维含量分别为5 vol%、10 vol%、15 vol%、20 vol%。将碳纤维在丙酮溶液中超声分散。 （2）称取一定量的环氧树脂，并称取所需要的固化剂质量。 （3）将超声分散好的碳纤维加入用分散剂稀释好的环氧树脂中，用玻璃棒充分搅拌，动作幅度要小，避免能产生气泡，搅拌均匀后，加入固化剂。倒入模具中常温固化，便于测试其力学性能。 3、加入改性碳纤维的环氧树脂样品的制备： （1）将碳纤维放置在箱式电阻炉中于在400 下氧

4、化处理30 min，冷却到室温后备用。将碳纤维放置在偶联剂（即kh550）丙酮溶液中改性处理，偶联剂的质量分数分别为0.5 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%。 （2）用称重器和烧杯称量所需要质量的分散剂与固化剂。 （3）将一定量的环氧树脂与分散剂混合，然后加入超声分散好的改性碳纤维，最后加入一定量的固化剂常温等待其固化，将制备好的样品进行力学性能测试。 固化剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响固化剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响 图1 固化剂含量对纯环氧树脂抗压强度的影响图2 固化剂含量对纯环氧树脂抗弯强度的影响实验数据曲线实验数据曲线 碳纤维含量对碳纤维碳纤维含

5、量对碳纤维/ /环氧树脂复合材料力学性能的影响环氧树脂复合材料力学性能的影响图3 碳纤维含量对碳纤维/环氧树脂复合材料抗压强度的影响 图4 碳纤维含量对碳纤维/环氧树脂复合材料抗弯强度的影响 碳纤维的原始形貌照片 氧化后碳纤维的形貌照片图5 改性碳纤维含量对改性碳纤维/环氧树脂材料抗压强 度的影响 图6 改性碳纤维含量对改性碳纤维/环氧树脂材料抗弯强度的影响 改性碳纤维含量对碳纤维改性碳纤维含量对碳纤维/ /环氧树脂复合材料力学性能的环氧树脂复合材料力学性能的影响影响偶联剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响偶联剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响图7 偶联剂含量对抗压强度的影响图8 偶联剂

6、含量对抗弯强度的影响弯曲断口形貌弯曲断口形貌 改性碳纤维/环氧树脂弯曲断口的宏观形貌碳纤维/环氧树脂弯曲断口的宏观形貌环氧树脂弯曲断口的宏观形貌高温稳定性高温稳定性曲线曲线图9 纯环氧树脂在不同温度下的变形率图10 碳纤维/环氧树脂在不同温度下的变形率图11 改性碳纤维/环氧树脂在不同温度下的变形率耐磨性能分析耐磨性能分析 图14 改性碳纤维/环氧树脂材料在10 n载荷下不同滑行时间下的变形率图13 碳纤维/环氧树脂材料在10 n载荷下不同滑行时间下的变形率图12 纯环氧树脂材料在10 n载荷下不同滑行时间下的变形率图17 改性碳纤维/环氧树脂材料在20 n载荷下不同滑行时间下的磨损量图16

7、碳纤维/环氧树脂材料在20 n载荷下不同滑行时间下的磨损量图15 纯环氧树脂材料在20 n载荷下不同滑行时间下的磨损量实验结论实验结论 以环氧树脂、固化剂、碳纤维、改性碳纤维、偶联剂为主要原料，采用常温固化的方法制备了力学性能优良的碳纤维/环氧树脂复合材料。在实验中获得以下研究结果：（1）通过低温氧化对碳纤维表面进行预处理，可以增加碳纤维表面的粗糙度和比表面积，进而提高碳纤维和环氧树脂基体的界面结合力。（2）随固化剂、碳纤维、改性碳纤维、偶联剂含量的增加，环氧树脂及其复合材料的力学性能均出现先增加后降低的现象，当固化剂含量为30 wt%时、偶联剂含量为1 wt%，改性碳纤维含量为15 vol%时，改性碳纤维/环氧树脂复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为118.6 mpa和106.8 mpa，比纯树脂基体提高74.9%和102.6%。（3）纯环氧树脂材料在120发生变形，在220变形量达到0.85%，改性碳纤维/环氧树脂复合材料在160未发生明显变形，在220变形量仅为0.58%，这表明改性碳纤维/环氧树脂复合材料的高温尺寸稳定性好。（4）摩擦磨损实验表明：随着摩擦时间和外加载荷的增加，所有环氧树脂及其复合材料的磨损量都增加。在加载为20 n，摩擦60 min后，纯环氧树脂的磨损量是10.3 mg，碳纤维/环氧树脂的磨损量是6.2 mg，改性碳纤维/环氧