磨碎碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能研究

1、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EP/CFP 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 -100型CFP 填充的质量分数为25%时,EP/CFP 材料的体积电阻率为1134×106cm ;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%、9817%和6617%,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

2、;导电性能;力学性能中图分类号:T Q327文献标识码:A 文章编号:1005-5770(200608-0054-03Study of Property of Epoxy R esin R einforced by C arbon Fiber PowderNI U Mu 2tong ,W U Wei 2duan ,CHE N Ming 2ming(C ollege of Material Sci 1&Eng 1,Huaqiao University ,Quanzhou 362011,China Abatract :E poxy resin (EP /carbon fiber powde

3、r (CFP com posites were prepared by melt blending EP with tw o types of CFP 1The relationship of the electrical ,mechanical and thermal properties of the EP/CFP com posites ,as well as the fracture surfaces of the com posite ,was studied 1The result showed that when the mass percentaage of P 2100CFP

4、 was 25%,the v olume resistivity of the com posite was 1134×106?cm ,while the tensile strength ,tensile elastic m odulus ,im pact strength and bending strength increased by 124%,186%,9817%and 6617%re 2spectively ,and the thermal properties of the com posite were als o im proved slightly ,com pa

5、red to pristine EP 1K eyw ords :Carbon Fiber P owder ;E poxy Resin ;E lectrical C onductivity ;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EP/CFP 导电复合材料。1实验部分111主要原料与设

6、备EP :E 244型,江西宜春市瑞达化工厂;CFP :P 2100型,沥青基,中值长度75150m ,直径710m ;P 2400型,沥青基,中值长度为250500m ,直径710m ,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:C MT 6104型,深圳新三思材料检验公司;摆锤式冲击试验机:Z BC 型,深圳新三思材料检验公司;高阻计:Z C 236型,上海精密科学仪器有限公司;电子扫描显微镜:S3500N 型,美国BR UK ER 公司;DSC 2TG A :S DT 2960S imultaneous 型,美国T A 公司。112CFP/EP 材料制备称

7、取一定量的EP ,水浴预加热至80,加入不同质量分数的P 2100型或P 2400型CFP ,搅拌3h ,搅拌速度为1000r/min ,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12h 后,于110再固化3h ,即制得CFP/EP 样品,打磨成标准试样。113材料性能检测电性能检测:对体积电阻R v >1×107的样片用高阻计按G B/T 14101989进行测试;对体积电阻R v 1×107的样片用数字万用表在标准电极上按照G B/T 14101989测试。力学性能检测:拉伸试验按G B/T 10401992测

8、试,弯曲试验按G B/T 10421992测试,冲击试验按G B/T 10431992测试,无缺口试样。断面形貌:用SE M 观察试样的拉伸断口的形貌45塑料工业CHI NA P LASTICS I NDUSTRY 第34卷第8期2006年8月作者简介:牛牧童,男,24岁,硕士生,从事无机-有机复合材料的研究。w wduan hqu 1edu 1cn 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20/min 。2结果与讨论211CFP 用量和长度对EP /CFP 复合材料体积电阻 率的影响图1CFP 用量和长度对EP /CFP 体积电阻率的影响Fig

9、1E ffect of CFP content and length on v olume resistivityof EP/CFP com posite图1为CFP 含量和长度对EP /CFP 体积电阻率的影响。由图1可知,EP 固化样的体积电阻率V 约为1015cm 。当P 2100CFP 的质量分数为5%10%时,EP/CFP 复合材料的V 高于1013cm ,属绝缘体。当P 2100CFP 的质量分数增至15%时,体系V 急剧下降至7161×106cm ,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

10、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2。由图1知,CPF 含量相同、长度不同时,复合材料的V 也不同。P 2100CFP 填充的试样的渗滤域值约为10%,而长度较大的P 2400CFP 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。212CFP 用量和长度对CFP/EP 复合材料力学性能 的影响图2CFP 的用量和长度对EP/CFP 复合材料力学性能的影响Fig 2E ffect of CFP content and length on mec

11、hanicalproperties of com posite图2为CFP 的用量和长度对EP/CFP 复合材料力学性能的影响。由图2可知,P 2100CFP 填充试样的拉伸强度、拉伸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4413MPa 、991MPa 和6114k J/m 2,分别比EP 提高了124%、186%和9817%;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

12、量分数为25%时,增至120MPa ,比EP 提高了6715%。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3。当CFP 质量分数小于10%时,基体内的纤维数目较少,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55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一定的应力4,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

13、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 2400CFP 填充试样的各项力学性能均低于P 2100填充试样。这是因为P 2400CFP 长度较大,约为P 2100型的25倍,当EP 熔体流动时,纤维之间产生的摩擦力较大,降低了E

14、P 流动性能,使体系粘度增大。实验中,当P 2400CFP 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P 2100CFP 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;另一方面纤维的润湿性降低,使材料界面粘结质量下降,所以P 2400CFP 对EP 的力学补强作用不如P 2100CFP 。213EP/CFP 的形貌分析a -EPb -EP/CFP (20%图3EP/CFP (P 2100复合材料试样拉伸断面的SE M 照片Fig 3SE M photographs of fracture sur faces

15、 of EP andEP/CFP (P 2100com posite图3为EP/CFP (P 2100复合材料拉伸断面的SE M 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,EP/CFP (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;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P 2100CFP 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

16、EP 发生界面脱附,在断面留下了较深的拔出孔洞,但P 2100CFP 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。214EP/CFP 的TG 热性能分析表1TG 曲线分析结果T ab 1Results of TG curve analysis 试样T 10%/T 50%/T max /EP 357114041944618EP/CFP (5%365124041344811EP/CFP (15%357104051344817EP/CFP (20%356114031744914EP/CFP (25%356134051545011EP/CFP (30%3541

17脂受热而裂解气化时的温度称之为热分解温度,它是表征物料热稳定性能的重要指标之一5。从表1可看出,复合材料的T 10%、T 50%随CFP 含量的增加变化不大。而T max 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T max 为45416,比纯EP 分解温度高718,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

18、补强。同等含量下,长度较大的CPF 对EP/CFP 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。2P 2100CFP 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25%P 2100CFP 填充EP ,EP/CFP 材料的体积电阻率较EP 降低了9个数量级,约为1134×106cm ;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%、9817%和6617%,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1玻璃纤维,1997,(6:5(下转第69页65塑料工业2006年 r/R

19、=00105,n =115198,x 1=014245;r/R =0105012,n =115187,x 2=014100;r/R =012014,n =115140,x 3=013419;r/R =014016,n =115050,x 4=012137;r/R =016018,n =114965,x 5=010926 。图3分3层聚合时预聚物与理想分布折射率的对比Fig 3Refractive indices contrast between optimal distribution and prepolymers for 3layers图44层聚合时预聚物与理想分布折射率的对比Fig 4R

20、efractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 4layers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入时其前面一层聚合物薄层尚未完全固化,并且刚加入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GI 2POF 预制棒中折射率的分布曲线

21、与理性分布曲线非常接近,理论计算与实验 现象比较吻合,说明上面采取的简单化处理是可行的。图55层聚合时预聚物与理想分布折射率的对比Fig 5Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 5layers3结论采用多层离心共聚的新方法来制备GI 2POF 预制棒,其RI D 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GI 2POF 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RI D 非常接近理想分布的GI 2POF 预制棒。参考文献1Chen W C ,Chang Y,Wei M H 1J P olym Sci :Part B :P olymPhys ,200