磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能研究

1、· 54 ·塑料工业CHINA PIAS nCS INDUSTRY第34卷第8期2006年8月磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能研究牛牧童。吴伟端，陈名名(华侨大学材料科学与工程学院，福建泉州362011)摘要：利用两种不同的磨碎碳纤维粉体(CFP)填充环氧树脂(EP)，通过熔融共混制备了EPCFP复合材料。研究了CFP含量、长度与复合材料导电性能、力学性能和热稳定性能的关系，并考察了材料断口形貌。研究表明：P一100型CFP填充的质量分数为25时，EPCFP材料的体积电阻率为134×10 Q·cm；拉伸强度、拉伸弹性模量、冲击强度和弯曲强度较EP分别

2、提高了124 、186、987和667，同时材料的热稳定性也略有提高。关键词：磨碎碳纤维；环氧树脂；导电性能；力学性能中图分类号：TQ327 文献标识码：A 文章编号：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磨碎碳纤维(CFP)是将连续碳纤维经高温脱胶、短切、研磨成设定长度的圆柱形微粒，它保留了碳纤维的众多优良性能，而且形状细小，表面纯净，比表面积大，易于被树脂润湿均匀分散，是性能优良的复合材料填料【1。本文采用熔融共混法，将两种不同长度的CFP与环氧树脂(EP)复合，制备了电阻率明显降低，综合力学性能显著提高的EPCFP导电复合材料。1 实验部分11 主要原料与设备EP：E44型，江西宜春市瑞达化工厂；CFP：P100型

6、，沥青基， 中值长度75150 m，直径7 10m；P400型，沥青基， 中值长度为250500 m，直径710肛m，鞍山赛诺达碳纤维有限公司； 固化剂：聚酰胺651，江西赣西化工厂。万能拉力机：CMT6104型，深圳新三思材料检验公司；摆锤式冲击试验机：ZBC型，深圳新三思材料检验公司；高阻计：ZC 36型，上海精密科学仪器有限公司；电子扫描显微镜：$3500N型，美国BRUKER公司；DSCTGA：SIYI2960 Simultaneous型，美国 公司。12 CFPEP材料制备称取一定量的EP，水浴预加热至80 ，加入不同质量分数的P100型或P400型CFP，搅拌3 h，搅拌速度为1

7、000 rmin，冷却至室温，加入约50 EP质量的固化剂聚酰胺561，缓慢搅匀，浇铸于自制模具中成型。室温固化12 h后，于110再固化3 h，即制得CFPEP样品，打磨成标准试样。13 材料性能检测电性能检测：对体积电阻R >1×10 Q的样片用高阻计按GBT 1410-1989进行测试；对体积电阻1×10 Q的样片用数字万用表在标准电极上按照GBT l4l01989测试。力学性能检测：拉伸试验按GBT 1040-1992测试，弯曲试验按GBT 10421992测试，冲击试验按GBT l I31992测试，无缺口试样。断面形貌：用SEM观察试样的拉伸断口的形貌作者

8、简介：牛牧童，男，24岁，硕士生，从事无机一有机复合材料的研究。wwduanhqueducn维普资讯 第34卷第8期 牛牧童等：磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能研究 55并拍照。热稳定性测试(TG)：将被测热样品在高纯氮气保护下从室温加到700 ，升温速度为20min。2 结果与讨论21 CFP用量和长度对EPCFP复合材料体积电阻率的影响图1 CFP用量和长度对EPCF'P体积电阻率的影响Fig 1 Efect of CFP content and length on volume resistivityof EPCFP composite图1为CFP含量和长度对EPCFP体积电

9、阻率的影响。由图1可知，EP固化样的体积电阻率P、，约为10 Q·cm。当P100 CFP的质量分数为5 10时，EPCFP复合材料的P、，高于10玛Q·cm，属绝缘体。当P100 CFP的质量分数增至15时，体系P、，急剧下降至761×10 Q·cm，出现“渗滤” 现象。原因是随着CFP填充量的增加，CFP彼此间搭接形成网络的几率增大，复合体系内形成了较完整的CFP导电网络。之后，填料含量的增加对复合材料体积电阻的影响趋于平缓。碳纤维的长度对复合材料的导电性能有显著影响 。由图1知，CPF含量相同、长度不同时，复合材料的P、，也不同。P100 CFP填

10、充的试样的渗滤域值约为10，而长度较大的P400 CFP填充的试样约为8。这是因为长度越大，纤维搭接为导电网络的几率越大，形成网络需要的纤维量就越小，从而降低了导电复合材料的渗滤域值。22 CFP用量和长度对CFPEP复合材料力学性能的影响趟骥蠢耐星咖1翅；趟教蠢耐璧静目趟骥懵是图2 CFP的用量和长度对EPCFP复合材料力学性能的影响Fig 2 Efect of CFP content and length on mechanicalproperties of compo site图2为CFP的用量和长度对EPCFP复合材料力学性能的影响。由图2可知，P100 CFP填充试样的拉伸强度、拉伸

11、弹性模量和冲击强度随CFP含量的增加而增大，在CFP的质量分数超过10后性能提升更为显著；当其质量分数为25 时，材料的上述力学性能出现最大值，分别为443 MPa、991 MPa和614 kJm2， 分别比EP提高了124、186 和987 ；但当CFP质量分数达到30时，出现了突降。复合材料的弯曲强度则随着CFP用量的增加略有减小，在CFP用量超过10以后又不断上升，在CFP的质量分数为25 时，增至120 MPa，比EP提高了675。原因如下：在纤维增强树脂复合材料中，基体树脂通过界面将应力传递给高强度纤维，从而提高了复合材料的力学性能l3。当CFP质量分数小于10时，基体内的纤维数目较

12、少，承受的应力也相对较少，此时基体不但传递应力，自身也承受着维普资讯 · 56 · 塑料工业 2006筵一定的应力 l，所以材料的力学性能提升较慢。纤维的质量分数超过10后，随着基体内纤维数量的增加，纤维承受了主要应力，树脂主要起传递应力的作用，所以复合材料的力学性能提升幅度增大。但随着CFP含量的增加，复合体系中纤维比例加大，体系粘度升高，纤维不能很好地分散，相互摩擦、缠结，容易形成纤维束，使外力作用不能被有效分散，造成应力集中，成为断裂源，从而降低了复合材料力学性能；另外，随着纤维数目的增多，越来越多的纤维难以被树脂充分润湿，它们会在复合材料中形成许多弱粘结面，在材料受

13、力时发生弱界面的脱附拔出，使应力传递失效，不能对材料起到力学补强作用，因此当CFP的质量分数增至30时，材料的拉伸性能和冲击性能下降。由图2还可知，在配比相同时，除个别配比外，P-400 CFP填充试样的各项力学性能均低于P100填充试样。这是因为P-400 CFP长度较大，约为P-100型的2 5倍，当EP熔体流动时，纤维之间产生的摩擦力较大，降低了EP流动性能，使体系粘度增大。实验中，当P400 CFP填充量大于15时，复合材料因为粘度过大，不再适合浇注成型，而P100 CFP则可以添加到30。体系粘度的增大使纤维的浸胶性变差，一方面纤维容易缠结成为纤维束，不能均匀地分散同基体充分接触；另

14、一方面纤维的润湿性降低，使材料界面粘结质量下降，所以P400 CFP对EP的力学补强作用不如P100 CFP。23 EPCFP的形貌分析aEP bEPCFP (20)囹3 EPcFP (P-100)复合材料试样拉伸断面的SEM照片Fig 3 SEM photographs offi'aeture surfaces ofEP andEPCFP (P-100)composite图3为EPCFP(P100)复合材料拉伸断面的SEM照片。由图3a知，EP发生的是脆性断裂，断口平整，裂纹呈河流状且较为有序。由图3b知，EPCFP(20)断面凹凸不平，基体上有云片状扯起形貌，表明材料的韧性有所提高

15、；同时纤维在EP中分散性好，大多为单根分布，而且与EP粘结紧密，粘结边缘几乎没有缝隙，断面留有少量CFP的拔出孔洞。这是由于P100 CFP为微米级粉体，比表面积较大，且与EP主要呈单根接触，接触面积较大，两相间的结合力相应较大。不过也有少量的CFP与EP粘结性差，材料破坏时，与EP发生界面脱附，在断面留下了较深的拔出孔洞，但P100 CFP粉体形状细小，含量较大时，材料内纤维根数很多且分布均匀，总体上复合材料的力学性能提升。24 EPCFP的TG热性能分析表1 TG曲线分析结果Tab 1 Results of TG curve analysis树脂受热而裂解气化时的温度称之为热分解温度，它是

16、表征物料热稳定性能的重要指标之一 】。从表1可看出，复合材料的 l0、 0随CFP含量的增加变化不大。而 随着CFP含量的增加缓慢升高。当CFP质量分数为30，复合材料的 为4546，比纯EP分解温度高78 ，这可能是因为CFP在体系中的网状分布对EP的热降解起着阻碍作用；另外CFP提高了基体的热传导率，材料受热更均匀，不易出现局部过热分解，致使复合材料热降解滞后。可见增加CFP用量，能提高EP的热稳定性，但幅度不大。3 结论1)磨碎碳纤维对复合材料的力学和导电性能同时进行有效的补强。同等含量下， 长度较大的CPF对EPCFP材料的导电性增强效果较好；但对材料的力学性能补强效果较弱。2)P1O

17、d CFP颗粒较为微小，易于在树脂中分散润湿，是较为理想的制备具有良好力学性能导电复合材料的填料。利用25P 100 CFP填充EP，EPCFP材料的体积电阻率较EP降低了9个数量级，约为134 X 10 Q·cm；拉伸强度、拉伸弹性模量、冲击强度和弯曲强度较EP分别提高了124、186、987和667，同时材料的热稳定性也略有提高。参考 文 献1 彭焕鼎，万乐生，吴小梅等玻璃纤维，1997，(6)：5(下转第69页)维普资讯 第34卷第8期 马素德等：一种制备梯度型聚合物光纤预制棒的新方法及其折射率分布的调控 ·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$归一化半径图3 分3层聚合时预聚物与理想分布折射率的对比Fig 3 Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 3 layers瓣菸$归一化半径图4 4层聚合时预聚物与理想分布折射率的对比Fig 4 Refractive ind

19、ices contrast betw een optimM distributionand prepolymers for 4 layers实验时据此配料，辅以合适的反应温度和时间，就可以制备出具有理想折射率分布曲线的梯度型塑料光纤预制棒。事实上，由于下一层预聚物加人时其前面一层聚合物薄层尚未完全固化，并且刚加人的预聚物对前面的聚合物薄层有溶胀作用，二者可以相互融合、扩散，因而最终所得预制棒中折射率的实际分布曲线并非是图中所示的阶梯状分布而是平滑的分布曲线，而这种效果正是获得高质量的梯度型塑料光纤预制棒所必须的。由图5看出，最终的GIPOF预制棒中折射率的分布曲线与理性分布曲线非常接近，理论计

20、算与实验现象比较吻合，说明上面采取的简单化处理是可行的。瓣蒸归一化半径图5 5层聚合时预聚物与理想分布折射率的对比Fig 5 Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 5 layers3 结论采用多层离心共聚的新方法来制备GIPOF预制棒，其RID曲线可以自如的调控，所得光纤的带宽性能必然有相应的提高。理论计算与实验事实都表明所用预聚物层数越多，最终所得GIPOF预制棒的折射率分布曲线越接近理想分布。通过理想分布曲线对每一层预聚物的折射率值及物料配比进行了计算，据此配料就可以得到RID非常接近理想分布的GIPOF预制棒。参 考 文 献1 Chen W C，Chang Y，Wei