图书馆碳纤维书架用复合材料设计及性能测试分析

刘云

摘 要：为了提升图书馆碳纤维书架的综合力学性能，设计了不同结构的碳纤维增强金属层压板，对比分析了单一添加玻璃微珠（GB）、纳米碳酸钙对Al/CF/PA6复合材料弯曲强度、剪切强度和冲击强度的影响，并对断口形貌和复合添加玻璃微珠进行了观察。结果表明：在Al/CF/PA6加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的弯曲强度、剪切强度和冲击强度，且纳米碳酸钙对复合材料弯曲强度、剪切强度和冲击强度的提升效果优于GB。对比分析还发现，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的弯曲强度、剪切强度和冲击强度会高于单一添加GB或者纳米碳酸钙。

关键词：图书馆书架；碳纤维；金属层板复合材料；力学性能；断口形貌

中图分类号：TQ342+.742;TB33

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0097-04

Design and performance testing analysis of carbon fiber composite material for library bookshelves

LIU Yun

（Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China

）

Abstract：In order to improve the comprehensive mechanical properties of library carbon fiber bookshelves，carbon fiber reinforced metal laminates with different structures were designed.A comparative analysis was conducted to assess the impact of adding glass beads （GB） and nano calcium carbonate on the bending strength， shear strength， and impact strength of the composite material of Al/CF/PA6. In addition， the fracture morphology and the effects of adding GB to the composite material were also observed.The results showed that the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite were improved by adding GB or nano calcium carbonate to Al/CF/PA6，and the effect of nano calcium carbonate on the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite was better than GB.In addition，the comparative analysis also showed that the bending strength，shear strength and impact strength of the composite after adding GB and nano calcium carbonate were higher than those of the single addition of GB or nano calcium carbonate.

Key words：library bookshelves;carbon fiber;metal laminated composite materials;mechanical properties;fracture morphology

碳纖维增强金属层压板作为一种利用胶粘剂把两层或更多层金属薄板（通常为铝合金）和夹在薄板之间的增强碳纤维胶接在一起制成的金属层板复合材料［1］，由于兼具层压板中不同种类材料的各自特性［2］，因此，综合性能较为优越，如质量轻、耐腐蚀、抗疲劳抗损伤性能好等［3］。因此，在现代化图书馆书架等领域有着良好的应用前景。随着现代图书馆对碳纤维增强金属层压板书架要求的提高，用于书架的碳纤维增强金属层压板不仅需要足够的强度，还需要具有良好的剪切性能、冲击性能等［4-7］，以满足书架承重及可能发生的冲击断裂等问题。传统的碳纤维增强金属层压板多采用铝合金/碳纤维/尼龙6复合材料制备，而目前研究多采用提高铝合金性能、碳纤维性能等方面［8-10］，一定程度上提高了生产成本且对碳纤维增强金属层压板综合性能的提升幅度有限［11］。本文拟通过在铝合金/碳纤维/尼龙6复合材料中单一添加玻璃微珠（GB）、纳米碳酸钙（CaCO3）和复合添加玻璃微珠+纳米碳酸钙的方法，设计了不同结构的碳纤维增强金属层压板，考察了其对应于性能如弯曲强度、剪切强度和冲击强度的影响，以期为高综合性能图书馆书架用碳纤维增强金属层压板的开发与应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 实验原料

实验材料包括尼龙6（PA6，密度1.12 g/cm3）、YT-3K-P300型碳纤维（CF，直径7 μm、密度1.77 g/cm3、拉伸强度3 540 MPa、断后伸长率1.76%）、2024 T3铝合金板（Al，厚0.5 mm）、纳米碳酸钙（CaCO3，粒径80 nm，表面积1.75 m2/g）、CX-1000型玻璃微珠（GB）。

1.2 图书馆书架用复合材料的设计

共制备了4种不同类型的PA6基碳纤维复合材料，分别为Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6。其中，碳纤维材料裁剪成100 mm×100 mm，在甲醇溶液中静置1 d，然后在烘箱中进行58  ℃/2 h的干燥处理，空冷至室温；铝合金试样同样加工成100 mm×100 mm，经过丙酮除油、碱洗、酸洗和阳极处理［12-13］。采用双螺杆挤压机制备PA6基碳纤维复合材料，上模225  ℃、下模235  ℃，挤压压力6 MPa、持续时间15 min。

1.3 测试与表征

弯曲、剪切和冲击性能测试试样的尺寸示意图如图1所示。室温弯曲性能测试根据ASTM D 7264—07标准进行，跨距60 mm、加载速度1.5 mm/min；室温层间剪切性能测试根据ASTM D2344—16标准进行，跨距16 mm、加载速度3 mm/min；室温冲击性能测试根据ASTM D256—10标准进行；弯曲、剪切和冲击性能测试结果都取5根试样的平均值［14］。采用IT-300型扫描电镜观察断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 图书馆书架用复合材料的特性

表1为 PA6基碳纤维复合材料的弯曲强度测试结果。

由表1可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室温弯曲强度分别为303.69、323.26、339.17和353.54 MPa。可见，在Al/CF/PA6加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的弯曲强度，且纳米碳酸钙对复合材料弯曲强度的提升效果优于GB；此外，对比分析还可以发现，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的弯曲强度会高于单一添加GB或者纳米碳酸钙，且相较未添加GB或者纳米碳酸钙的Al/CF/PA6提升16.41%。

表2为 PA6基碳纤维复合材料的剪切强度测试结果。

由表2可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室温剪切强度分别为41.95、42.75、46.99和49.08 MPa。可见，在Al/CF/PA6加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的剪切强度，且纳米碳酸钙对复合材料剪切强度的提升效果优于GB；此外，对比分析还可以发现，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的剪切强度会高于单一添加GB或者纳米碳酸钙，且相较未添加GB或者纳米碳酸钙的Al/CF/PA6提升17.00%。

表3为 PA6基碳纤维复合材料的冲击强度测试结果。

由表3可见，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室温冲击强度分别为90.77 kJ·m-2、90.98 kJ·m-2、94.53 kJ·m-2和89.49 kJ·m-2。可见，在Al/CF/PA6加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的冲击强度，且纳米碳酸钙对复合材料冲击强度的提升效果优于GB；此外，对比分析还可以发现，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的冲击强度会低于单一添加GB或者纳米碳酸钙，且相较未添加GB或者纳米碳酸钙的Al/CF/PA6降低了1.41%。

2.2 图书馆书架用复合材料的断口形貌

图2为Al/GB/CF/PA6复合材料的断口形貌。

从图2（a）可见，铝合金基体与PA6结合良好，且可以发现玻璃微球均匀分散在基体中；从图2（b）可见，碳纤维与PA6的界面呈现脆性断裂的特征，可以看见碳纤维断裂，断口起伏较大；从图2（c）和图2（d）可见，在断口中可见玻璃微球在铝合金和碳纤维中都有分布；图2（e）可见拔出的碳纤维束上有少量变形，局部可见微裂纹的存在；从图2（f）可见，在复合材料的断口中，铝合金断口中有较多的韧窝，呈韧性断裂特征，有助于提高复合材料的塑性和冲击性能［15］。

进一步对玻璃微珠在Al/GB/CF/PA6复合材料断口中的分布进行观察，结果如图3所示。

从图3（a）和图3（b）可见，在复合材料断裂过程中，裂纹会沿着玻璃微珠界面处扩展，且玻璃微珠可以起到钉扎作用，一定程度抑制了裂纹扩展［16］，有助于提升复合材料的强度。从图3（c）和图3（d）可见，部分裂纹扩展过程中沿着玻璃微珠扩展，部分玻璃微珠处于半剥离状态，体现出二者较好的界面结合能力［17］，如果要使得玻璃微珠发生剥离需要更大的能量。

图4为Al/CaCO3/CF/PA6复合材料的断口形貌。

从图4可看出，整体而言，Al/CaCO3/CF/PA6复合材料的断口呈现脆性断裂特征，断口中碳纤维被拔出，不同性质的材料之间的界面基本剥离，在铝合金基体中还可见微裂纹的存在；此外，铝合金板与纤维之间已经发生脱粘，铝合金断口较为平整，未见明显韧窝等，表明塑性不高［18］。

图5为Al/GB/CaCO3/CF/PA6复合材料的断口形貌。由图5可以发现，在Al/GB/CaCO3/CF/PA6复合材料的断口中存在明显玻璃微珠和碳酸钙，且碳纤维有被拔出的线性，这些增强体都可以起到增强复合材料强度的作用；此外，从图5（b）～（d）可见，铝合金发生了明显塑性变形，断口中出现了拔丝线性，表明断裂过程中铝合金吸收了较多的能量［19］；从图5（e）的玻璃微珠的存在状态可见，玻璃微珠均匀分散在基体组织中，尺寸约为98 nm，可以起到钉扎和抑制裂纹扩展的作用［20］；由图5（f）可见，玻璃微珠與基体界面结合良好。整体而言，玻璃微珠、碳酸钙粒子和碳纤维等都可以起到增强复合材料强度的作用，因此，Al/GB/CaCO3/CF/PA6复合材料的剪切强度、弯曲强度和冲击强度都优于单位添加玻璃微珠或者碳酸钙的Al/GB/CF/PA6复合材料和Al/CaCO3/CF/PA6复合材料，断口形貌的观察结果与表1～表3的测试结果相吻合。

3 结语

（1）在图书馆书架用Al/CF/PA6复合材料中加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的弯曲强度，且纳米碳酸钙对复合材料弯曲强度的提升效果优于GB；此外，对比分析还可以发现，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的弯曲强度会高于单一添加GB或者纳米碳酸钙；

（2）为了提升图书馆设计用复合材料的剪切强度，设计了4种不同结构的复合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室温剪切强度分别为41.95、42.75、46.99和49.08 MPa。在Al/CF/PA6加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的剪切强度，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的剪切强度会高于单一添加GB或者纳米碳酸钙；

（3）为了提升图书馆设计用复合材料的冲击强度，设计了4种不同结构的复合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室温冲击强度分别为90.77、90.98、94.53和89.49 kJ/m2。在Al/CF/PA6加入GB或者纳米碳酸钙都会提升复合材料的冲击强度，复合添加GB和纳米碳酸钙后复合材料的冲击强度会低于单一添加GB或者纳米碳酸钙。

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