碳纤维布增强酚醛环氧树脂力学性能研究

彭永利 王醉寒

(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430074)



碳纤维布增强酚醛环氧树脂力学性能研究

彭永利 王醉寒

(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430074)

以碳纤维布作为增强材料，酚醛树脂，环氧树脂作为基体，经过浸渍，层压成型等工艺，制得碳纤维布增强酚醛环氧树脂复合材料。通过比较不同质量分数的酚醛/环氧树脂质量比所制得的材料的力学性能及扫描电镜(SEM)表征出的复合材料的微观结构，得出在环氧树脂质量分数为25%时，该复合材料具有最佳的力学性能。

碳纤维；酚醛环氧树脂；力学性能

碳纤维具有超高的强度、模量和耐腐蚀性等优良性能，以它作为增强材料的树脂基复合材料已广泛用于航空、航天、体育器械等领域[1]。酚醛树脂及其模塑料是合成树脂、塑料中最早工业纯生产的品种。基于它们的原料来源较广，生产工艺和设备简单，成型加工性好，价格较低廉，并且可以通过种种手段获得优良的力学性能、电性能、热性能、烧蚀性能、化学性能以及耐辐射性能，特别是具有良好的阻燃性能，发烟率低，很少产生有害气体，已成为机械、电子电气、建筑、采矿、国防及其它工业部门不可缺少的材料[2-3]。但是酚醛树脂延伸低，脆性大，韧性差，需要通过改性来提高其韧性。环氧树脂具有良好的相容性，较好的力学性能尤其是韧性，易于加工等优点，用环氧树脂改性酚醛树脂可以在保留酚醛树脂高耐热性的同时提高酚醛树脂的韧性[4-6]。

本文主要研究以环氧改性酚醛树脂作为基体，碳纤维布作为增强材料，采用浸渍，层压工艺等压制成型的复合材料的力学性能，讨论不同环氧树脂含量对复合材料力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3k碳纤维布；水溶性酚醛树脂，山东济宁华凯树脂有限公司；环氧树脂E-51，巴陵石化；热压机；万能材料测试机，WDW-20，深圳高品测试机械有限公司；悬臂梁冲击试验机，河北省承德试验机厂；扫描电子显微镜，JSM-5510LV，日本电子。

1.2 碳纤维布/酚醛环氧树脂复合材料成型工艺

碳纤维布/酚醛环氧树脂复合材料成型工艺如图1所示。

图1 碳纤维布/环氧酚醛树脂复合材料成型工艺流程图

1.3 复合材料性能测试

弯曲强度按照GB/T 1449-2005，采用深圳高品测试机械有限公司生产的WDW-20万能材料测试机进行测定。

冲击强度按照GB/T 1843-2008标准，采用河北省承德试验机厂生产的悬臂梁冲击试验机进行测定。

表面形貌采用日本电子生产的JSM-5510LV扫描电子显微镜观察。

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂含量对复合材料力学性能的影响

图2为环氧树脂含量和复合材料弯曲强度的关系。从图2中可以看出，随着环氧树脂含量的升高，复合材料的弯曲强度逐步升高。当环氧树脂含量达到25%(质量分数，下同)时，复合材料弯曲强度达到最大值，之后随环氧树脂含量升高，复合材料弯曲强度逐渐下降。

图 2 复合材料弯曲强度与环氧树脂含量的关系

图3为环氧树脂含量和复合材料冲击强度的关系。从图3中可以看出，随着环氧树脂含量的升高，复合材料的冲击强度逐步升高。当环氧树脂含量达到25%时，复合材料冲击强度达到峰值，之后随环氧树脂含量升高，复合材料冲击强度逐渐下降。

图 3 复合材料冲击强度与环氧树脂含量的关系

在此复合体系中，纤维和树脂基体共同承受外力，其中主要承担外力的是纤维，树脂基体通过界面将外力均匀地传递到每个纤维上，起到了分散应力的作用，从而提高了复合材料的力学性能。酚醛树脂性脆，加入环氧树脂可以与酚醛树脂共固化，达到使树脂增韧的效果。共固化的效果决定了树脂基体分散应力的能力，因此加入适量的环氧树脂可以提高复合材料的力学性能。

2.2 环氧树脂含量对复合材料冲击断面形貌的影响

不同环氧树脂含量的复合材料冲击断口形貌如图4所示。图4(a)中，环氧树脂含量在25%时，纤维和树脂分布较为均匀，在断口仍有树脂附着，说明纤维与树脂基体相容性较好，因此复合材料具有较强的吸收冲击能的能力，具有更大的冲击强度，间接说明树脂基体共固化效果较好；图4(b)中，环氧树脂含量在30%时，与图4(a)相比，纤维和树脂分布并不均匀，纤维之间的结合并不紧密，存在孔洞和裂隙，使得吸收冲击能的能力减弱，冲击强度下降。

从数值上看，环氧树脂含量在25%的复合材料与环氧树脂含量在10%的复合材料相比，弯曲强度提高30%左右，冲击强度提高200%左右。

图 4 不同环氧树脂含量的复合材料冲击断口形貌

3 结 语

(1)随着环氧树脂含量的增加，碳纤维布增强环氧酚醛树脂复合材料的弯曲强度升高，当环氧树脂含量到达25%时，复合材料弯曲性能达到最大，达到最大值后，随着环氧树脂含量的增加材料的弯曲强度降低。

(2)随着环氧树脂含量的增加，碳纤维布增强环氧酚醛树脂复合材料的冲击强度升高，当环氧树脂含量到达25%时，复合材料冲击性能达到最大，达到最大值后，随着环氧树脂含量的增加材料的弯曲强度降低。

1 贺福.碳纤维及其应用技术[M] .北京: 化学工业出版社, 2004

2 黄发荣，万里强等.酚醛树脂及其应用[M].第一版.化学工业出版社, 2011

3 雅露，饶军.新型酚醛复合材料及工艺进展[J].玻璃钢/复合材料, 1996(2):43-46

4 孙晓牧.国外酚醛树脂市场概况[J].热固性树脂, 1997(1):53-56

5 Zima V，Svoboda J，genes L．et a1．Synthesis and characterization of new strontium4-carboxyphenylphosphonates[J]．Journal of Solid State Chemistry，2007，180(3)：929—939

6 于红卫.改性酚醛树脂研究进展[J].建筑人造板, 2001(2):20-24

(责任编辑：谭银元)

Study on Mechanical Properties of Phenolic Epoxy Resin Reinforced with Carbon Fiber Cloth

PENG Yong-li,Wang Zui-han

(Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China)

Carbon fiber cloth is used as a reinforced material, phenolic resin and epoxy resin are used as matrix, through soaking, laminated molding processes, phenolic epoxy resin composites reinforced with carbon fiber cloth are obtained. The mechanical properties of different mass fraction of phenolic / epoxy resin mass ratio are compared with the microstructure characterized by the SEM, and the results show that the composite has the best mechanical properties with the epoxy resin mass fraction at 25%.

Carbon Fiber; Phenolic Epoxy Resin; Mechanical Properties

2014-11-27

彭永利,男，教授，博士，博士研究生导师， 研究方向： 热固性树脂及其复合材料。

TP34

A

1671-8100(2015)03-0028-03