一种装饰用碳纤维复合材料锻造成型新工艺及拉伸性能研究

乔 宁

(铜川职业技术学院，陕西 铜川 727000)

碳纤维复合材料由于密度低、比强度高和优良的耐腐蚀性能等而被广泛应用于室内设计、国防工业、风力发电、体育器械等领域[1]，尤其是随着现代材料产业的快速升级和人们对物质品质要求的逐步提高，将碳纤维应用于物质生活的理念已逐步成形，并被越来越多的消费者所认可，典型表现为室内设计中要考虑应用高综合性能的碳纤维复合材料。虽然现在制备碳纤维复合材料的工艺较多(真空热压罐工艺、层压成型工艺、缠绕工艺、拉挤成型工艺等)[2]；这些工艺虽然也能制备出性能较高的碳纤维复合材料，但是同时存在设备精度要求高、工艺复杂和成本高等问题[3]。因此，尝试采用新型锻造成型的方法，研究具体成型工艺参数对碳纤维复合材料力学性能的影响，目前关于锻造碳纤维复合材料方面的研究报道较少[4-5]，具体影响机制不清楚。本文以锻造成型碳纤维复合材料为例，研究模压压力、加压温度、固化温度、保温时间等参数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，这将有助于掌握成型工艺参数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响规律，并推动高性能碳纤维复合材料的开发及其在室内设计等领域的应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验原料包括上海石化集团提供的SCF-12K碳纤维，单丝直径7 μm、线密度0.79 g/m、拉伸强度3 540 MPa、拉伸模量235 GPa；江阴万千化学品有限公司提供的NP-128型液态双酚A型树脂，室温黏度为13 500 mPa·s、环氧当量187 g/eq。

1.2 成型工艺

碳纤维复合材料的成型工艺示意图如图1，包括预热、铺料过程、凝胶过程、固化过程和脱模过程。预热过程中使用dea944脱模剂，将模腔预热至88 ℃、表面镀铬；制备预浸料并称量后进行铺料，面积为85%的投影面积；完成后进行凝胶处理，控制模压压力、加压温度、固化温度、保温时间等参数，固化后进行脱模处理。其中，模压压力为6～14 MPa,间隔2 MPa取点；加压温度为100～130 ℃，固化温度为130～160 ℃;固化保温时间设定为15～35 min;预浸料长度为50 mm。

图1 碳纤维复合材料的成型工艺Fig.1 Forming process of carbon fiber composites

1.3 测试方法

将不同成型工艺下的碳纤维复合材料试样(140 mm×140 mm×2 mm)加工成标准样条(80 mm×10 mm×2 mm)，根据ASTM D3039《聚合物基质复合材料的物理力学试验性能测试方法》，在ZWICK&ROLL万能拉伸机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速率为2 mm/min，结果取3组试样平均值，标准化拉伸强度σnor[6]可以表示：

(1)

式中：σsc为实测拉伸强度；VCF为复合材料中碳纤维的体积分数。

拉断后的试样采用JSM-6400型扫描电子显微镜进行断口形貌观察。

2 结果与分析

2.1 模压压力

图2为模压压力对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，模压压力为6～14 MPa。

(a)应力-应变曲线

(b)拉伸强度图2 模压压力对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig.2 Effect of molding pressure on tensile properties of carbon fiber composites

从图2可以看出，随着模压压力从6 MPa增至14 MPa，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，标准化拉伸强度随着模压压力的变化趋势与拉伸强度相同，在模压压力为10 MPa时碳纤维复合材料取得最大的拉伸强度和标准化拉伸强度。这主要是因为在较小的模压压力下(<10 MPa)，模压过程中树脂的流动会由于模压压力较小而减弱，造成局部区域会出现树脂贫乏和浸润不透的线性[7]；在较大的模压压力下(>10 MPa)，模压过程中过大的模压压力会造成树脂流动扩散性变小，对树脂和纤维的结合造成不利影响，并在局部产生树脂富集区，内部结合力下降而造成拉伸性能变小[8]。整体而言，当模压压力为10 MPa时，碳纤维复合材料具有相对较好的拉伸性能。

2.2 加压温度

图3为加压温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，加压温度为100～130 ℃。

(a)应力-应变曲线

(b)拉伸强度图3 加压温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig.3 Effect of pressure temperature on tensile properties of carbon fiber composites

随着加压温度从100 ℃增至130 ℃，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，在加压温度为110 ℃时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值，继续升高加压温度至130 ℃时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小至238 MPa。从加压温度对碳纤维复合材料力学性能的影响上可见，加压温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响较大，如果加压温度过大，复合材料中的树脂会出现局部交联作用，影响后续的树脂流动而造成局部富集，拉伸过程中断裂会优先在聚集区断裂[9]；但是加压温度也不能太小，如果加压温度过小，树脂凝胶时间会延长，局部会产生树脂缺陷，对拉伸性能也会造成不利影响。整体而言，碳纤维复合材料适宜的加压温度为110 ℃。

2.3 固化温度

图4为固化温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，固化温度为130～160 ℃。

(a)应力-应变曲线

(b)拉伸强度图4 固化温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig.4 Effect of curing temperature on tensile properties of carbon fiber composites

随着固化温度从130 ℃增至160 ℃，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在固化温度为140 ℃时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值，继续升高固化温度至160 ℃时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小。从固化温度对碳纤维复合材料力学性能的影响上可见，固化温度对碳纤维复合材料拉伸性能的影响较大，如果固化温度过大，复合材料中会出现过固化现象，影响纤维的层间结合力，复合材料的拉伸性能会减小；但是固化温度也不能太小，如果固化温度过小，树脂的固化反应不充分会造成树脂与纤维的交联度下降[10]，浸润性能造成影响的同时结合力降低，拉伸性能减小。整体而言，碳纤维复合材料适宜的固化温度为140 ℃。

2.4 保温时间

图5为保温时间对碳纤维复合材料拉伸性能的影响，保温时间为15～35 min。

(b)拉伸强度

(b)拉伸强度图5 保温时间对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig.5 Effect of holding time on tensile properties of carbon fiber composites

随着保温时间从15 min增至35 min，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在保温时间为30 min时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值(332 MPa)，继续延长保温时间至35 min时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小。从保温时间对碳纤维复合材料力学性能的影响上可见，保温时间对碳纤维复合材料拉伸性能的影响较大，如果保温时间较短，固化过程中的树脂与纤维的固化不充分[11]，结合力下降而造成拉伸强度减小，而如果保温时间过程，纤维与树脂间又会发生过固化现象[12]，造成复合材料拉伸性能降低。整体而言，碳纤维复合材料适宜的保温时间为30 min。

2.5 断口形貌

图6为碳纤维复合材料的典型拉伸断口形貌。

a、b-纤维拔出；c、d-树脂断裂；e、f-内聚失效图6 碳纤维复合材料的典型拉伸断口形貌Fig.6 Typical tensile fracture morphology of carbon fiber composites

通过对不同成形工艺参数下的碳纤维复合材料的断口进行观察，可以发现碳纤维复合材料主要有3种典型断裂特征，第1种为纤维拔出，即在拉伸断口中可以发现参差不齐的断丝，这些碳纤维与树脂的结合力较差，局部还存在孔洞，这主要与树脂贫乏、树脂结合力较差等影响有关[13]，如在碳纤维模压成型过程中的压力过小、固化温度和保温时间等控制不当造成树脂流动性变差等会造成纤维拔出的断裂失效模型，典型形貌如图6(a)和图6(b)所示。第2种为树脂断裂模型，可见碳纤维复合材料的断面较为平整，几乎观察不到参差不齐的纤维断裂形貌，这主要是因为碳纤维复合材料在拉伸过程中无法有效传递树脂与纤维的载荷，造成外加荷载超过树脂极限拉伸强度时发生断裂，如果再模压成型过程中出现工艺参数控制不当，会造成树脂富集、扩散不充分的现象，从而出现树脂断裂失效[14]，典型形貌如图6(c)和图6(d)所示。第3种断裂形式为内聚失效模式，其典型特征为碳纤维复合材料的拉伸断口中既没有大量纤维拔出，也没有树脂平断现象，在外加载荷的过程中，由于复合材料内部没有树脂贫乏区或者富集区，应力可以在纤维与树脂间有效传递，二者可以互相发挥作用而使得复合材料在较高的应力下才能断裂[15]，此时的断裂模式为内聚失效，当模压成型工艺参数控制得当时会出现这种断裂模式，如模压压力为10 MPa、加压温度为110 ℃、固化温度为140 ℃、保温时间为30 min，典型形貌如图6(e)和图6(f)所示。

3 结语

(1)随着模压压力从6 MPa增至14 MPa，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，标准化拉伸强度随着模压压力的变化趋势与拉伸强度相同，在模压压力为10 MPa时碳纤维复合材料取得最大的拉伸强度和标准化拉伸强度；

(2)随着加压温度从100 ℃增至130 ℃，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，在加压温度为110 ℃时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值，继续升高加压温度至130 ℃时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小至238 MPa；

(3)随着固化温度从130 ℃增至160 ℃，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在固化温度为140 ℃时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值为，继续升高固化温度至160 ℃时碳纤维复合材料的标准化拉伸强度减小；

(4)随着保温时间从15 min增至35 min，碳纤维复合材料的拉伸强度和标准化拉伸强度都先增大后减小，在保温时间为30 min时取得拉伸强度和标准化拉伸强度最大值。