聚丙烯腈基预氧丝毡复合材料的力学性能研究

刘元军，赵晓明，拓 晓

（天津工业大学纺织学部，天津 300387）

聚丙烯腈基预氧丝毡复合材料的力学性能研究

刘元军，赵晓明，拓 晓

（天津工业大学纺织学部，天津 300387）

为了制备拉伸和弯曲性能良好的聚丙烯腈基预氧丝毡/环氧树脂复合材料，研究了聚丙烯腈基预氧丝毡含量和固化温度对复合材料拉伸和弯曲性能的影响，优化出力学性能最佳的聚丙烯腈基预氧丝毡/环氧树脂复合材料制备方法，并拍摄了复合材料拉伸断口的SEM图像.研究表明：当聚丙烯腈基预氧丝毡含量为15%时，其纵向和横向的拉伸断裂载荷达到最大值，分别为1 643.73和1 235.72 MPa；同时纵向和横向弯曲强度也达到最大值，分别为64.39和53.06 MPa；复合材料的SEM图像显示，纵向拉伸断口处有少量裸露纤维，其分布方向与针刺毡铺网方向一致.

聚丙烯腈基预氧丝毡；环氧树脂；复合材料；力学性能

复合材料，是指由两种或两种以上性质不同的材料如金属、陶瓷及高分子材料等，通过物理或化学等制备工艺制备的多相材料.为满足汽车制造业、航空航天等高端技术的需求，科学家们研制和生产出许多高模量、高强度纤维，如芳纶纤维、石墨纤维、碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维等.随后以上述高性能纤维为增强体的复合材料也相继问世［1］.随着经济的发展，复合材料将会替代大部分传统材料，应用到更多领域［2］.预氧丝是碳纤维制作环节中间产品，其价格比碳纤维低，但预氧丝纤维呈现脆性、纤维与纤维之间抱合力差、卷曲少、成条困难、强力低、纺纱和织造过程中断头率高，不能作为复合材料增强体.为了克服该缺点，利用层叠针刺法将预氧丝纤维网胎和预氧丝布交替叠层后针刺制得预氧丝毡，此类型毡增加了X-Y向连续纤维含量，有效避免了产品在生产及热试车过程中发生轴向开裂，明显提高了预氧丝制品的拉伸和弯曲性能［3-6］；另外，预氧丝毡具备轻质、柔软、吸水性好、纺织加工性好等特点，可广泛应用于各种保温材料等［7-10］.本实验研究了聚丙烯腈基预氧丝毡质量分数和固化温度对复合材料拉伸和弯曲性能的影响，制备出具有良好拉伸和弯曲性能的聚丙烯腈基预氧丝毡复合材料.

1 实 验

1.1 材料和试剂

聚丙烯腈基预氧丝毡（克重：300 g/m2，由南通东丽邦碳纤维有限公司提供），低分子650聚酰胺树脂（由杭州五会港胶粘剂有限公司提供），环氧树脂（E-44型，由中石化巴陵石化分公司提供）等.

1.2 实验仪器

塑料制品液压机（Y/TD71-45A型，天津市天锻压力机有限公司），环境扫描电子显微镜（Quam ta200型，捷克FEI公司），Instron万能强力仪（3369型，美国Instron公司），电热恒温水浴锅（双列四孔型，天津市中环实验电炉有限公司），真空干燥箱（DZF-6020型，巩义市予华仪器有限责任公司），电子分析天平（AE200型，梅特勒-拖利多仪器上海有限公司），电动搅拌机（JJ-1型，江苏金坛市中大仪器厂），烘箱（YG747型，南通宏大实验仪器有限公司）等.

1.3 复合材料制备工艺

1.3.1 基体的制备

1）称取环氧树脂基体，加入相对基体质量15%的无水乙醇进行稀释.

2）按基体：固化剂=2∶1的比例加入聚酰胺650固化剂.

3）搅拌至均匀，待用.

实验所用的树脂基体配方如表1所示.

表1 树脂基体配方（质量分数/%）

1.3.2 聚丙烯腈基预氧丝毡的预处理

将聚丙烯腈基预氧丝毡无纺布裁剪成20 mm× 9 mm的试样，放入体积分数为2%的无水乙醇溶液中浸渍洗涤10 min，然后，将试样80℃烘30 h.

1.3.3 制备流程

利用针刺工艺得到的聚丙烯腈基预氧丝毡作为复合材料增强体，聚丙烯腈基预氧丝毡具有很好的空隙效果、渗透性、延伸性，易于模压成型.利用聚丙烯腈基预氧丝毡的这些特点，采用简单低成本的复合材料成型法，手糊浸润法将聚丙烯腈基预氧丝毡基材和环氧树脂基体复合.将调配好的环氧树脂在室温条件下采用手糊法让树脂充分浸润，由于稀释过后的环氧树脂流动性很好，因此，模压前要在一定温度下固化一段时间，防止模压时树脂基体的过多流失.

制备流程如下：

1）聚丙烯腈基预氧丝基材的前处理；

2）环氧树脂基体的制备；

3）环氧树脂基体手糊浸润聚丙烯腈基预氧丝基材；

4）装模，预固化；

5）压制，脱模.

1.3.4 模压工艺流程

1）零压60℃保温预固化1 h；

2）90℃，压力5 MPa压制60 min；

3）定时卸压；

4）升温到130℃，压制30 min；

5）保压冷却；

6）140℃固化2 h；

7）脱模.

1.4 测试方法

1.4.1 拉伸性能

拉伸性能测试利用Instron万能材料试验机，参照GB1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法［11-16］.

1.4.2 弯曲性能

弯曲性能测试利用Instron万能材料试验机，参照GB1449—2005纤维增强塑料弯曲性能测试方法［11-16］，测试方法为三点弯曲法，加载方式如图1所示.

图1 加载方式

1.4.3 电镜性能

电镜测试利用环境扫描电子显微镜，参照JB/T 6842—93实验方法测试.

2 结果与讨论

2.1 制备工艺条件对拉伸和弯曲性能的影响

2.1.1 基材含量对拉伸和弯曲性能的影响

为了探究基材质量分数对复合材料拉伸和弯曲性能的影响，设计了5组实验，参数如表2所示.

表2 实验方案参数

不同聚丙烯腈基预氧丝毡含量（质量分数）对复合材料拉伸和弯曲性能影响的测试结果如图2所示.由图2可以看出，当聚丙烯腈基预氧丝毡含量为15%时复合材料的力学性能最好，其纵向和横向的拉伸断裂载荷达到最大值，分别为1 643.73和1 235.72 MPa；同时纵向和横向弯曲强度也达到最大值，分别是64.39和53.06 MPa.而当聚丙烯腈基预氧丝毡含量大于15%时，随着聚丙烯腈基预氧丝毡比重的增加，复合材料力学性能逐渐减弱.为了解释其原因，引入纤维增强树脂基复合材料受力模型进行分析.纤维增强树脂基复合材料的受力模型如图3所示.

图2 不同聚丙烯腈基预氧丝毡含量对复合材料拉伸和弯曲性能的影响

图3 纤维增强树脂基复合材料受力模型示意图

当聚丙烯腈基预氧丝毡增强体与树脂基体结合良好且没有相对滑移时，受到外力F作用时，增强体纤维和树脂基体产生相同应变ε，则复合材料受到拉伸应力σc为

式中：σf和σm分别是增强体纤维和树脂基体所承受的应力；Ef和Em分别表示纤维模量和树脂基体模量.显然Ef≫Em，故σf≫σm.因此，可以得出，当复合材料承受外力作用时，纤维增强体将承担大部分外加载荷.由此结论可以得出，当聚丙烯腈基预氧丝毡质量分数过小时，复合材料中主要承受外载荷的增强体纤维过少，导致复合材料整体力学性能较差.当聚丙烯腈基预氧丝毡质量分数超过15%时，树脂含量相对减少，基体无法充分浸透纤维毡，导致增强体与树脂之间粘结强度不足，承受外力时树脂易与纤维脱落，从而降低了复合材料的力学性能.

2.1.2 固化温度对力学性能的影响

为了探究固化温度对复合材料力学性能的影响，设计了5组实验，分别在室温、60、100、140、180℃条件下对复合材料进行固化实验，对比实验方案参数如表3所示.

各组实验复合材料力学性能测试如图4所示.由图4可以看到，随着温度升高，复合材料力学性能提高.当温度低于100℃时，复合材料力学性能的变化速率比高于100℃时变化明显.即相同固化时间里，在一定范围内固化温度越高则试样固化越充分，试样力学性能越好.

表3 实验方案参数

图4 不同固化温度对复合材料弯曲和拉伸性能的影响

2.2 复合材料拉伸断口的SEM图像

图5是复合材料在扩大280倍的扫描倍数下拍摄的聚丙烯腈预氧丝复合材料纵向拉伸断口形貌.

图5 复合材料纵向拉伸断口形貌的SEM图像

由图5可以看出，在纵向拉伸断口处有少量裸露纤维，其分布方向与针刺毡铺网方向一致，即与复合材料拉伸断裂方向一致.当聚丙烯腈基预氧丝毡复合材料承受拉应力时，纤维受力方向与复合材料拉伸方向基本一致，因此，能够承受大部分环氧树脂基体的传递载荷，具有优异的拉伸和弯曲性能.另外，环氧树脂基体呈现较明显的拉伸状，呈层片状包覆在聚丙烯腈预氧丝纤维基材周围，说明在拉伸过程中环氧树脂基体也承受了部分拉应力，复合材料最终因大部分的基材与基体脱粘而发生断裂.

3 结 论

本实验以环氧树脂为基体，以聚丙烯腈基预氧丝毡为增强体，制备出具有良好拉伸和弯曲性能的聚丙烯腈基预氧丝毡复合材料.聚丙烯腈基预氧丝毡含量为15%时，其纵向和横向的拉伸断裂载荷达到最大值，分别为1 643.73和1 235.72 MPa；同时纵向和横向弯曲强度也达到最大值，分别是64.39和53.06 MPa.当聚丙烯腈基预氧丝毡含量为15%、固化温度为180℃时，制备的复合材料拉伸和弯曲性能最佳.

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（编辑 吕雪梅）

Study on the mechanical properties of PAN-based pre-oxidized fiber felt composite material

LIU Yuanjun，ZHAO Xiaoming，TUO Xiao

（College of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to prepare PAN-based pre-oxidized fiber felt composite materials with good tensile and bending properties，effects of the content of PAN-based pre-oxidized fiber felt and the curing temperature on their properties were studied to optimize the preparation method of epoxy resin composite materials.And tensile fracture surfaces were investigated using SEM images.Results showed that the longitudinal and transverse tensile breaking load reached maximum values with 1 643.73 MPa and 1 235.72 MPa respectively when the mass of PAN-based pre-oxidized fiber is 15%of that of epoxy resin.Meanwhile，the longitudinal and transverse bending strength reached the maximum values of 64.39 MPa and 53.06 MPa，respectively.SEM images of composite material showed a little bare fiber remained on the longitudinal tensile fracture surfaces，and the direction of the distribution of fiber was identical to the net of needled felt.

PAN-based pre-oxidized fiber felt；epoxy；composites；mechanical properties

TB322

A

1005-0299（2015）06-0082-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150615

2015-04-28.

国家自然科学基金资助项目（51206122）.天津应用基础与前沿技术研究计划项目（13JCQNJC03000）；2015年天津工业大学研究生科技创新活动计划资助项目（15101）.

刘元军（1986—），女，博士.

赵晓明，E-mail：texzhao@163.com.