碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究

1、,碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能 研究,班級：材料141 姓名：劉樹宣 專業(yè)：材料科學(xué)與工程 指導(dǎo)教師：于景媛,緒論,環(huán)氧樹脂的特性 環(huán)氧樹脂通常是具有兩個及兩個以上環(huán)氧基團，與固化劑反應(yīng)后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性材料。環(huán)氧樹脂固化后不僅熱性能、機械性能和電氣性能優(yōu)異還具有突出的尺寸穩(wěn)定性、耐化學(xué)藥品性、耐濕熱性及耐腐蝕性，已廣泛用于表面涂料、結(jié)構(gòu)膠黏劑、印刷電路板、電子絕緣材料及先進復(fù)合材料等。,本文的研究意義 本文研究在環(huán)氧樹脂的基體中加入碳纖維，利用碳纖維良好的性能來提高環(huán)氧樹脂材料的強度和韌性，本文主要研究碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的固化工藝。觀察碳纖維、改性碳纖維、固化劑含量對

2、碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料壓縮、彎曲的影響。觀察碳纖維/改性碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在高溫時的尺寸穩(wěn)定性。研究碳纖維/改性碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。,實驗內(nèi)容,實驗原料 環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂固化劑、偶聯(lián)劑、碳纖維、改性碳纖維 實驗所需設(shè)備 干燥箱、電子天平、環(huán)塊摩擦試驗機、電子萬能試樣機、體式顯微鏡,實驗過程 1、環(huán)氧樹脂樣品的制備 （1）用天平和燒杯稱量一定量的環(huán)氧樹脂，用一定量分散劑稀釋備用。 （2）用燒杯稱量所需質(zhì)量的固化劑（質(zhì)量分數(shù)分別為20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%），倒入環(huán)氧樹脂燒杯中，均勻攪拌混合樣品，常溫下固化制得環(huán)氧樹脂樣品。 2、碳纖維

3、/環(huán)氧樹脂樣品制備： （1）稱取所需質(zhì)量的碳纖維備用，碳纖維含量分別為5 vol%、10 vol%、15 vol%、20 vol%。將碳纖維在丙酮溶液中超聲分散。 （2）稱取一定量的環(huán)氧樹脂，并稱取所需要的固化劑質(zhì)量。 （3）將超聲分散好的碳纖維加入用分散劑稀釋好的環(huán)氧樹脂中，用玻璃棒充分攪拌，動作幅度要小，避免能產(chǎn)生氣泡，攪拌均勻后，加入固化劑。倒入模具中常溫固化，便于測試其力學(xué)性能。,3、加入改性碳纖維的環(huán)氧樹脂樣品的制備： （1）將碳纖維放置在箱式電阻爐中于在400 下氧化處理30 min，冷卻到室溫后備用。將碳纖維放置在偶聯(lián)劑（即KH550）丙酮溶液中改性處理，偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)分別為0

4、.5 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%。 （2）用稱重器和燒杯稱量所需要質(zhì)量的分散劑與固化劑。 （3）將一定量的環(huán)氧樹脂與分散劑混合，然后加入超聲分散好的改性碳纖維，最后加入一定量的固化劑常溫等待其固化，將制備好的樣品進行力學(xué)性能測試。,固化劑含量對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,圖1 固化劑含量對純環(huán)氧樹脂抗壓強度的影響,圖2 固化劑含量對純環(huán)氧樹脂抗彎強度的影響,實驗數(shù)據(jù)曲線,碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,圖3 碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗壓強度的影響,圖4 碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗彎強度的影響,碳纖維的原始形貌照片,氧化

5、后碳纖維的形貌照片,圖5 改性碳纖維含量對改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料抗壓強 度的影響,圖6 改性碳纖維含量對改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料抗彎強度的影響,改性碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,偶聯(lián)劑含量對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,圖7 偶聯(lián)劑含量對抗壓強度的影響,圖8 偶聯(lián)劑含量對抗彎強度的影響,彎曲斷口形貌,改性碳纖維/環(huán)氧樹脂彎曲斷口的宏觀形貌,碳纖維/環(huán)氧樹脂彎曲斷口的宏觀形貌,環(huán)氧樹脂彎曲斷口的宏觀形貌,高溫穩(wěn)定性曲線,圖9 純環(huán)氧樹脂在不同溫度下的變形率,圖10 碳纖維/環(huán)氧樹脂在不同溫度下的變形率,圖11 改性碳纖維/環(huán)氧樹脂在不同溫度下的變形率,耐磨性能分析,圖1

6、4 改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在10 N載荷下不同滑行時間下的變形率,圖13 碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在10 N載荷下不同滑行時間下的變形率,圖12 純環(huán)氧樹脂材料在10 N載荷下不同滑行時間下的變形率,圖17 改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在20 N載荷下不同滑行時間下的磨損量,圖16 碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在20 N載荷下不同滑行時間下的磨損量,圖15 純環(huán)氧樹脂材料在20 N載荷下不同滑行時間下的磨損量,實驗結(jié)論,以環(huán)氧樹脂、固化劑、碳纖維、改性碳纖維、偶聯(lián)劑為主要原料，采用常溫固化的方法制備了力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在實驗中獲得以下研究結(jié)果： （1）通過低溫氧化對碳纖維表面進行預(yù)處理

7、，可以增加碳纖維表面的粗糙度和比表面積，進而提高碳纖維和環(huán)氧樹脂基體的界面結(jié)合力。 （2）隨固化劑、碳纖維、改性碳纖維、偶聯(lián)劑含量的增加，環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的力學(xué)性能均出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，當(dāng)固化劑含量為30 wt%時、偶聯(lián)劑含量為1 wt%，改性碳纖維含量為15 vol%時，改性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗壓強度和抗彎強度分別為118.6 MPa和106.8 MPa，比純樹脂基體提高74.9%和102.6%。,（3）純環(huán)氧樹脂材料在120發(fā)生變形，在220變形量達到0.85%，改性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在160未發(fā)生明顯變形，在220變形量僅為0.58%，這表明改性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的高溫尺寸穩(wěn)定性好。 （4）摩擦磨損實驗表明：隨著摩擦?xí)r間和外加載荷的增加，所有環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的磨損量都增加。在加載為20 N，摩擦60 min后，純環(huán)氧樹脂的磨損量是10.3 mg，碳纖維/環(huán)氧樹