碳纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂材料的性能研究

碳纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂材料的性能研究

高材料、高設(shè)計(jì)、抗疲勞性能好、耐腐蝕性好、便于大規(guī)模綜合形成和特殊性能，具有較高的優(yōu)點(diǎn)。酚醛樹(shù)脂雖然是最老的一類熱固性樹(shù)脂,但由于它原料易得,合成方便,以及酚醛樹(shù)脂具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能,尤其具有突出的瞬時(shí)耐高溫?zé)g性能,而且樹(shù)脂本身又有廣泛改性的余地,所以目前酚醛樹(shù)脂仍廣泛用于制造玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料。筆者選用高強(qiáng)度碳纖維作為增強(qiáng)材料,酚醛樹(shù)脂為基體,制備了不同含量的碳纖維試樣,并對(duì)其耐磨性、硬度和導(dǎo)電性等性能進(jìn)行測(cè)定,研究碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響及碳纖維在復(fù)合材料中所起的作用。1顯微硬度和電阻值的測(cè)定,是建立碳將高強(qiáng)度6K的碳纖維剪成1cm長(zhǎng)后,進(jìn)行表面去膠、除油,在濃硝酸中浸泡4h,取出烘干,然后在球磨機(jī)中粉碎成1mm左右的具有表面活性的短切纖維,按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)配置碳纖維含量分別為5%,10%,15%,20%,25%和30%的原料。將混合均勻的碳纖維和酚醛樹(shù)脂粉末放入直徑25mm的圓柱型模具中,在160℃下不斷加壓到樣品密實(shí)為止,保溫10min。測(cè)定樣品的顯微硬度和電阻值;在M200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn),試驗(yàn)在15kg載荷、轉(zhuǎn)速為400r/min、摩擦副為45鋼及磨損時(shí)間為1h的條件下測(cè)量每個(gè)樣品的磨損量,并用體視顯微鏡對(duì)磨損后的試樣表面進(jìn)行觀察。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1碳纖維對(duì)硬度的影響顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果示于圖1?？梢钥闯?隨著碳纖維含量的增加,試樣的硬度呈現(xiàn)S形增加趨勢(shì),增加幅度由小到大又由大到小。碳纖維是脆性材料,具有高的強(qiáng)度和比模量,所以加入碳纖維能提高試樣的硬度。基體是樹(shù)脂材料,其硬度較低,當(dāng)碳纖維含量較低時(shí),由于在基體中較分散,所以對(duì)顯微硬度的貢獻(xiàn)較小;當(dāng)碳纖維含量>10%,碳纖維的作用變的非常明顯,所以硬度有較大幅度的增加;但是,當(dāng)碳纖維含量>25%,碳纖維的增強(qiáng)作用逐漸達(dá)到飽和,硬度的增加速度開(kāi)始下降?？傊?碳纖維的加入對(duì)硬度的提高非常明顯。2.2材料的導(dǎo)電性能圖2為不同碳纖維含量樣品的電導(dǎo)率。從中可以看出,當(dāng)碳纖維含量<10%時(shí),電阻隨纖維含量的增加急劇下降;當(dāng)碳纖維含量>10%時(shí),體積電阻的變化趨于平緩,電阻值的下降與碳纖維含量的增加并不成正比,有一個(gè)滲濾閥值,這個(gè)滲濾閥值約為15%。這表明,碳纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合體系在碳纖維含量為15%以上,試樣具有一定的導(dǎo)電性能。上述結(jié)果可用以下理論解釋,當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo)電填料的含量在達(dá)到一個(gè)臨界值前,其電阻率急劇下降,在電阻率-導(dǎo)電填料含量曲線上出現(xiàn)一個(gè)狹窄的突變區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi),導(dǎo)電填料含量的任何細(xì)微變化均會(huì)導(dǎo)致電阻率的顯著改變,這種現(xiàn)象通常稱為滲濾現(xiàn)象,導(dǎo)電填料的臨界含量稱為滲濾閥值。在突變區(qū)域之后,即使導(dǎo)電填料含量繼續(xù)提高,復(fù)合材料的電阻率變化甚小,這反映在突變點(diǎn)附近導(dǎo)電填料的分布開(kāi)始形成導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電現(xiàn)象是由導(dǎo)電填料的直接接觸和填料間隙之間的隧道效應(yīng)的綜合作用產(chǎn)生的;或者說(shuō)是由導(dǎo)電通道、隧道效應(yīng)和場(chǎng)致發(fā)射三種導(dǎo)電機(jī)理競(jìng)相作用的結(jié)果。在低導(dǎo)電填料含量及低外加電壓下,導(dǎo)電粒子間距較大,形成鏈狀導(dǎo)電通道的幾率極小,這時(shí)隧道效應(yīng)起主要作用;在低導(dǎo)電填料含量和高外加電壓時(shí),場(chǎng)致發(fā)射理論變得顯著;在高導(dǎo)電填料含量下,導(dǎo)電粒子的間距小,形成鏈狀導(dǎo)電通道幾率較大,這時(shí)導(dǎo)電通道機(jī)理的作用明顯增大。2.3碳纖維含量的影響試樣磨損完畢后,每個(gè)試樣磨損前、后的質(zhì)量磨損量與碳纖維含量的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出,隨著碳纖維含量的增加,復(fù)合材料的磨損率下降、耐磨性能提高,且提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小,最后趨于不變。圖4為不同纖維含量材料的磨損表面形貌圖。由磨損表面形貌可以看出,隨著纖維含量的增加,磨損表面上碳纖維的“露頭”逐漸增加。當(dāng)復(fù)合材料中含有硬質(zhì)增強(qiáng)纖維時(shí),在摩擦磨損過(guò)程中,較軟的基體先期磨損,硬質(zhì)纖維逐漸突出,磨合一段時(shí)間后,復(fù)合材料的磨損表面主要承受載荷的是高強(qiáng)度的纖維,而纖維本身的耐磨性較好,且其大部分表面又受到基體的保護(hù)而不易受到損傷,此時(shí)纖維不易磨掉,從而形成纖維的“露頭”,起到了很好的耐磨作用。隨著碳纖維含量的增加,磨損表面“粗糙”,使得摩擦界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力增大,導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高,然而,碳纖維在摩擦力的作用下變成微小的碳顆粒,起到了一定的自潤(rùn)滑作用。碳纖維含量越大時(shí),自潤(rùn)滑效果越好,摩擦系數(shù)越低。所以,碳纖維含量增加,耐磨性提高。但是當(dāng)碳纖維含量>15%以后,耐磨性不再提高,這是由于隨著碳纖維含量的增加的同時(shí),伴隨著碳纖維與基體界面增加,試樣疲勞性能下降,削弱了碳纖維的耐磨作用,當(dāng)碳纖維含量達(dá)到一定值后,纖維對(duì)耐磨性的增強(qiáng)作用和伴隨的削弱作用達(dá)到平衡,試樣的耐磨性不再提高。3碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響(1)隨著碳纖維含量的增加,復(fù)合材料總的硬度從5%碳纖維含量的平均硬度的77HV提高到30%碳纖維含量的平均硬度的367HV,硬度提高幅度很大,但并非線性增加,開(kāi)始增加較小,碳纖維含量>10%以后硬度增加非?？?當(dāng)碳纖維含量>25%后,硬度值變化趨于平緩。(2)隨著碳纖維含量的增加,復(fù)合材料的電阻值下降,導(dǎo)電性能提高。電阻值的下降與纖維含量的增加并不成正比,而是有一個(gè)滲濾