碳纤维增强酚醛树脂材料的性能研究

碳纤维增强酚醛树脂材料的性能研究

高材料、高设计、抗疲劳性能好、耐腐蚀性好、便于大规模综合形成和特殊性能，具有较高的优点。酚醛树脂虽然是最老的一类热固性树脂,但由于它原料易得,合成方便,以及酚醛树脂具有良好的机械强度和耐热性能,尤其具有突出的瞬时耐高温烧蚀性能,而且树脂本身又有广泛改性的余地,所以目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等复合材料。笔者选用高强度碳纤维作为增强材料,酚醛树脂为基体,制备了不同含量的碳纤维试样,并对其耐磨性、硬度和导电性等性能进行测定,研究碳纤维含量对复合材料性能的影响及碳纤维在复合材料中所起的作用。1显微硬度和电阻值的测定,是建立碳将高强度6K的碳纤维剪成1cm长后,进行表面去胶、除油,在浓硝酸中浸泡4h,取出烘干,然后在球磨机中粉碎成1mm左右的具有表面活性的短切纤维,按照质量分数配置碳纤维含量分别为5%,10%,15%,20%,25%和30%的原料。将混合均匀的碳纤维和酚醛树脂粉末放入直径25mm的圆柱型模具中,在160℃下不断加压到样品密实为止,保温10min。测定样品的显微硬度和电阻值;在M200型磨损试验机上进行磨损试验,试验在15kg载荷、转速为400r/min、摩擦副为45钢及磨损时间为1h的条件下测量每个样品的磨损量,并用体视显微镜对磨损后的试样表面进行观察。2试验结果与讨论2.1碳纤维对硬度的影响显微硬度试验结果示于图1。可以看出,随着碳纤维含量的增加,试样的硬度呈现S形增加趋势,增加幅度由小到大又由大到小。碳纤维是脆性材料,具有高的强度和比模量,所以加入碳纤维能提高试样的硬度。基体是树脂材料,其硬度较低,当碳纤维含量较低时,由于在基体中较分散,所以对显微硬度的贡献较小;当碳纤维含量>10%,碳纤维的作用变的非常明显,所以硬度有较大幅度的增加;但是,当碳纤维含量>25%,碳纤维的增强作用逐渐达到饱和,硬度的增加速度开始下降。总之,碳纤维的加入对硬度的提高非常明显。2.2材料的导电性能图2为不同碳纤维含量样品的电导率。从中可以看出,当碳纤维含量<10%时,电阻随纤维含量的增加急剧下降;当碳纤维含量>10%时,体积电阻的变化趋于平缓,电阻值的下降与碳纤维含量的增加并不成正比,有一个渗滤阀值,这个渗滤阀值约为15%。这表明,碳纤维/酚醛树脂复合体系在碳纤维含量为15%以上,试样具有一定的导电性能。上述结果可用以下理论解释,当复合体系中导电填料的含量在达到一个临界值前,其电阻率急剧下降,在电阻率-导电填料含量曲线上出现一个狭窄的突变区域。在此区域内,导电填料含量的任何细微变化均会导致电阻率的显著改变,这种现象通常称为渗滤现象,导电填料的临界含量称为渗滤阀值。在突变区域之后,即使导电填料含量继续提高,复合材料的电阻率变化甚小,这反映在突变点附近导电填料的分布开始形成导电通路网络。导电高分子材料的导电现象是由导电填料的直接接触和填料间隙之间的隧道效应的综合作用产生的;或者说是由导电通道、隧道效应和场致发射三种导电机理竞相作用的结果。在低导电填料含量及低外加电压下,导电粒子间距较大,形成链状导电通道的几率极小,这时隧道效应起主要作用;在低导电填料含量和高外加电压时,场致发射理论变得显著;在高导电填料含量下,导电粒子的间距小,形成链状导电通道几率较大,这时导电通道机理的作用明显增大。2.3碳纤维含量的影响试样磨损完毕后,每个试样磨损前、后的质量磨损量与碳纤维含量的关系如图3所示。从图3可以看出,随着碳纤维含量的增加,复合材料的磨损率下降、耐磨性能提高,且提高程度随着碳纤维含量的增加而减小,最后趋于不变。图4为不同纤维含量材料的磨损表面形貌图。由磨损表面形貌可以看出,随着纤维含量的增加,磨损表面上碳纤维的“露头”逐渐增加。当复合材料中含有硬质增强纤维时,在摩擦磨损过程中,较软的基体先期磨损,硬质纤维逐渐突出,磨合一段时间后,复合材料的磨损表面主要承受载荷的是高强度的纤维,而纤维本身的耐磨性较好,且其大部分表面又受到基体的保护而不易受到损伤,此时纤维不易磨掉,从而形成纤维的“露头”,起到了很好的耐磨作用。随着碳纤维含量的增加,磨损表面“粗糙”,使得摩擦界面的相对运动阻力增大,导致摩擦系数升高,然而,碳纤维在摩擦力的作用下变成微小的碳颗粒,起到了一定的自润滑作用。碳纤维含量越大时,自润滑效果越好,摩擦系数越低。所以,碳纤维含量增加,耐磨性提高。但是当碳纤维含量>15%以后,耐磨性不再提高,这是由于随着碳纤维含量的增加的同时,伴随着碳纤维与基体界面增加,试样疲劳性能下降,削弱了碳纤维的耐磨作用,当碳纤维含量达到一定值后,纤维对耐磨性的增强作用和伴随的削弱作用达到平衡,试样的耐磨性不再提高。3碳纤维含量对复合材料导电性能的影响(1)随着碳纤维含量的增加,复合材料总的硬度从5%碳纤维含量的平均硬度的77HV提高到30%碳纤维含量的平均硬度的367HV,硬度提高幅度很大,但并非线性增加,开始增加较小,碳纤维含量>10%以后硬度增加非常快,当碳纤维含量>25%后,硬度值变化趋于平缓。(2)随着碳纤维含量的增加,复合材料的电阻值下降,导电性能提高。电阻值的下降与纤维含量的增加并不成正比,而是有一个渗滤