注射成型短碳纤维增强聚乙烯复合材料力学性能的研究

徐先锋，胡艳艳，敖学东

（华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013）

注射成型短碳纤维增强聚乙烯复合材料力学性能的研究

徐先锋，胡艳艳，敖学东

（华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013）

研究了碳纤维含量对注射成型高密度聚乙烯／短碳纤维复合材料拉伸强度、弹性模量和硬度的影响。结果表明，随着短碳纤维含量的增加，复合材料的硬度、弹性模量和拉伸强度逐渐增大；当短碳纤维含量小于3.3%时，复合材料的硬度、弹性模量和拉伸强度成线性增加趋势；当短碳纤维含量大于3.3%时，复合材料的硬度、弹性模量和拉伸强度的上升趋势增大。

碳纤维；聚乙烯；复合材料；增强；注射成型

0 前言

复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过一定工艺手段复合而成的，各组分在性能上起协同作用，可以发挥各自材料的优点，克服单一材料的缺陷，得到单一材料无法获得的综合性能［1］。在树脂基复合材料中，树脂基的主要功能是在纤维之间通过剪切的方式传递载荷，并使得材料中的应力重新分布。近年来，随着成型工艺的不断成熟，热塑性复合材料已成为复合材料领域中最引人注目的研究热点。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有多次加工性及良好的耐冲击性能，越来越受到人们的重视［2］。

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射和良好的生物相容性等，此外，还具有纤维特有的柔曲性和可编性，它的比强度和比模量均优于其他无机纤维。聚乙烯具有优良的耐寒性、耐水性、化学稳定性和介电性能，加工性好，价格低廉，因此得到广泛的应用，但是其耐热性、强度和刚度差，容易发生环境应力开裂，故需要碳纤维来增强［3］。碳纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、强度高、密度低、比模量高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等一系列特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展［4］。本文选用短碳纤维作为高密度聚乙烯（PE－HD）的增强材料，研究了短碳纤维含量对注射成型制品力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳纤维，T700，日本东丽公司，其性能指标如表1所示；

PE－HD，1600J，湖南石油化学公司，长期使用温度最高可达100℃，熔体流动速率为18g／10min，密度为0.958g／cm3，其主要性能指标如表2所示［3］。

表1 碳纤维的主要性能指标Tab.1 Properties parameters of carbon fiber

表2 PE－HD的主要性能指标Tab.2 Properties parameters of PE－HD

1.2 主要设备及仪器

注塑机，XS－ZY500，上海塑机厂；

自动转塔数显显微硬度计，XHV－1000Z，上海尚材试验机有限公司；

精密万能试验机，AG－250KN2SMD，日本岛津公司。

1.3 样品制备

将碳纤维与PE－HD按比例均匀混合后注射成型，并将注射成型制品加工成拉伸试样和硬度测试试样，料筒温度为160～220℃，模具温度为80～90℃，注射压力为70～100MPa。

1.4 性能测试与结构表征

采用显微镜硬度仪测试复合材料的硬度，施加载荷为1.96N，试样为10mm×10mm的小方块，每个试样测试6～8个点，取平均值；

采用精密万能试验机测试复合材料的拉伸性能，拉伸速率为5mm／s，试样尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 The sample size for tensile testing

2 结果与讨论

2.1 碳纤维含量对复合材料硬度的影响

从图2可以看出，随着碳纤维含量的增加，复合材料的硬度上升；当碳纤维含量小于3.3%时，硬度和碳纤维含量基本成线性关系；当碳纤维含量超过3.3%时，出现了拐点，随着碳纤维含量的增加硬度迅速上升。碳纤维是脆性材料，强度和比模量高，能提高复合材料的硬度［5］。碳纤维在PE－HD中是随机分布的，彼此之间互相搭接，在树脂基体中形成骨架，随着碳纤维含量的增加，搭接点数量增加，使得碳纤维的骨架作用增强，其周围的高分子链的移动受到阻碍，抵抗外物侵入的能力得到提高［6］。复合材料的强度是由碳纤维的强度、碳纤维跟树脂基体的界面黏结强度以及树脂基体的剪切强度决定的。碳纤维作为增强材料，分布形式是网络状的，是复合材料中主要的承载物质，其高比强度和高弹性模量的特性大大降低了树脂基体的塑性变形，增强了复合材料的硬度。当碳纤维含量小于3.3%时，其在树脂基体中较分散，树脂基体是载荷的主要承担者，其硬度和碳纤维含量基本成线性关系；当碳纤维含量大于3.3%时，碳纤维成为载荷的主要承担者，硬度大幅度上升。而且碳纤维和树脂通过注射成型后复合效果很好，硬度得到了很大的提高。但当碳纤维含量过高时，其在树脂基体中可能出现纤维间的堆积，出现局部缺陷，使得复合材料的力学性能降低。

图2 碳纤维含量对复合材料硬度的影响Fig.2 Effect of content of carbon fiber on hardness of the composites

2.2 碳纤维含量对复合材料弹性模量的影响

从图3可以看出，随着碳纤维含量的增加，复合材料的弹性模量上升；当碳纤维含量小于3.3%时，弹性模量和碳纤维的含量基本成线性关系；当碳纤维含量超过3.3%时，出现了拐点，随着碳纤维含量的增加，弹性模量迅速上升。

弹性模量是描述材料在线度方向受力后，抵抗形变能力的重要物理量，代表使原子离开平衡位置的难易程度，其表征材料本身的性质，是表示晶体中原子间结合力强弱的物理量，是组织结构不敏感的参数，仅与材料的物质结构、化学结构及其生产工艺等相关，与材料的几何形状和所受到外力的大小无关。碳纤维的弹性模量为228GPa，而PE－HD的弹性模量仅为1.5GPa，注塑机螺杆的搅动使碳纤维与PE－HD得到了很好的混合，从而导致随着碳纤维含量的增加，复合材料的弹性模量也逐渐增加。当碳纤维含量小于3.3%时，虽然复合材料的弹性模量有所增加，但增加幅度并不大，这主要是因为当碳纤维含量较少时，其承担的应力也相对较少，并且由于碳纤维的加入切断了原来连续的基体，在树脂中形成了一定的缺陷，不利于弹性模量的增加。当碳纤维含量大于3.3%时，弹性模量增加显著，出现拐点的原因在于碳纤维含量为3.3%达到了一个临界值，同时注塑机的加热处理使得碳纤维与树脂之间发生了化学作用，而这一临界值的碳纤维使得反应变得充分，碳纤维均匀分布于树脂基体中，较好地承担了载荷，从而大大提高了复合材料的弹性模量。当然也有可能是碳纤维诱导PE－HD结晶，这种结晶效应增强了界面黏结性，从而提高了复合材料的弹性模量。

图3 碳纤维含量对复合材料弹性模量的影响Fig.3 Effect of content of carbon fiber on elastic modulus of the composites

2.3 碳纤维含量对复合材料拉伸强度的影响

从图4可以看出，复合材料的拉伸强度均比纯PE－HD高，且随碳纤维含量的增加而增大；在碳纤维含量小于3.3%时，拉伸强度随含量增加呈线性增长趋势；当碳纤维含量超过3.3%时，出现了拐点，随着碳纤维含量的增加拉伸强度迅速增大。碳纤维是载荷的主要承载体，其含量的变化对复合材料的拉伸强度有决定性影响，树脂基体可通过界面将应力传递给碳纤维；当碳纤维含量较少时，其承受的应力也相对较少，此时树脂基体传递应力的同时自身也承受着一定的应力，因此复合材料的拉伸强度上升较慢；随着碳纤维含量的增加，其承受了主要应力，树脂基体主要起传递应力的作用，因此复合材料的拉伸强度显著提高；当碳纤维的含量达到3.3%时，在树脂中的分布变得均匀，充分弥补了树脂内部的一些缺陷，致使表面的裂纹尖端等突出部位被较好的充填，裂纹尖端曲率半径变大，突出部位变得平缓，一些缺陷处的应力集中得到一定程度的缓解，这就需要更大的应力才能使裂纹得到扩展，所以复合材料的拉伸强度得到提高。同时，碳纤维和树脂通过注塑机的高温加热，可能发生了化学反应，导致复合材料的整体结构和性能发生改变，而碳纤维含量达到3.3%时，反应最充分，进而拉伸强度得到了很大的提高。

图4 碳纤维含量对复合材料拉伸强度的影响Fig.4 Effect of content of carbon fiber on tensile strength of the composites

3 结论

（1）短碳纤维可以提高PE－HD的硬度、拉伸强度和弹性模量；

（2）随着碳纤维含量的增加，复合材料的硬度、拉伸强度和弹性模量也随着增大；

（3）碳纤维增强复合材料的注射成型工艺具有制备时间短、操作简单方便等优点，为一种具有成本优势的制备方法。

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［5］ 戚运莲，洪权，刘向，等.Ti工业进展［J］.稀有金属材料和工程，2004，7（11）：28－30.

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［6］ 杨雪梅.炭纤维增强橡胶复合材料性能研究［J］.炭素技术，2000，（3）：15－17.

Yang Xuemei.Study on Properties of Carbon Fiber Reinforced Rubber Composites［J］.Carbon Techniques，2000，（3）：15－17.

Study on Mechanical Properties of Injection Molded Short Carbon Fiber Reinforced Polyethylene Composites

XU Xianfeng，HU Yanyan，AO Xuedong

（School of Mechanical ＆Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Samples of polyethylene／short carbon fiber composites were prepared via injection molding.The tensile strength，hardness，and elastic modulus of the composites were studied.It showed that with increasing content of carbon fiber，the tensile strength，hardness，and elastic modulus of the composites increased.When carbon fiber content was lower than 3.3%，these properties increased linearly；when carbon fiber content was higher than 3.3%，these properties increased significantly.

carbon fiber；polyethylene；composite；reinforcement；injection molding

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2012）02－0033－04

2011－09－27

联系人，yanyanhu＿cool＠163.com

（本文编辑：李莹）