【正文】 、沖擊強(qiáng)度）和拉伸 模量及彎曲模量都相應(yīng)提高。 ，沿纖維取向方向的力學(xué)性能增強(qiáng)，與纖維垂直方向的力學(xué)性能下降，所以短切纖維增強(qiáng)材料可以實(shí)現(xiàn)各向同性。在實(shí)驗(yàn)過程 中，我還得到了實(shí)驗(yàn)老師李老師無私的幫助，她們指導(dǎo)我正確的使用實(shí)驗(yàn)儀器，使我學(xué)到了更多實(shí)際操作方面的知識。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 畢業(yè)論文 碳纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的研究 學(xué)生姓名 ： 學(xué)號 ： 系 部： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二零一二年六月 李青霞 082074207 材料工程系 高分子材料與工程 張保衛(wèi) 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 。在這一過程中也得到了許多同學(xué)的友情幫助，他們幫助我解決了很多實(shí)驗(yàn)操作，數(shù)據(jù)整理和電腦編輯中的困難。這篇論文傾注了我很多精力，用了 我百分百的努力和認(rèn)真 。拉伸模量一直隨著碳纖維含量的增加而增加。但是短纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的力學(xué)性能各個(gè)方向相同，所以短切纖維增強(qiáng)不飽和聚酯有利于實(shí)現(xiàn)材料的各向同性。同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維，碳纖維長度越短，黏度越小，即碳纖維長度越小所能加進(jìn)的碳纖維含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）越多。 2~3mm 的 CF/UPR 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%時(shí)拉伸強(qiáng)度為，比不加碳纖維的降低 %。在相同浸潤性和化學(xué)鍵的基礎(chǔ)上，表 面積的增加能提高界面粘結(jié)性能，同時(shí)這些縱向分布的溝槽還加強(qiáng)了纖維和基體間的機(jī)械互鎖作用。 碳纖維經(jīng)硝酸處理后含氧官能團(tuán)大大增加，如羧基（結(jié)合能 ）從原來的%提高到 %，其擬合峰明顯增強(qiáng)（圖中標(biāo)記 3 的官能團(tuán)）。 A..硝酸處理 1h 碳纖維圖片 4h 碳纖維圖片 8h 圖片 圖 Figure fiber electron micrograph 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 25 1h 1h 1h 4h 8h 圖 Figure electron micrograph tensile section 由電鏡圖片可以看出經(jīng) 1h 硝酸處理的碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度不是很高，因?yàn)樘I(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 26 通過圖看出纖維在基體中又被抽出的現(xiàn)象，而 4h 和 8h 處理的無此現(xiàn)象。彎曲撓度隨著碳纖維處理時(shí)間和碳纖維的加入撓度減小。 碳纖維的硝酸 (60%～ 65%)處理時(shí)間對性能的影響 配方 :不飽和聚酯： 100 碳纖維 :3(1～ 2mm) 引發(fā)劑： 促進(jìn)劑： 本實(shí)驗(yàn)對碳纖維進(jìn)行 1ｈ、 4ｈ和 8h 的濃硝酸（ 60%～ 65%）表面處理，然后對處理后的 CF/UPR 復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果見表 。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 18 不飽和聚酯樹脂固化 過程溫度變化 （試驗(yàn)配方，室溫 25℃） ： 表 Table polyester curing process temperature changes 時(shí)間/min 0 10 15 18 20 22 27 溫度/℃ 21 22 23 34 115 150 151 不飽和聚酯在 15min 出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象，由表 可以看出在出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象以前，前15min 聚合物的反應(yīng)緩慢，溫度基本沒有太大變化， 15min 以后交聯(lián)反應(yīng)速度迅速提升溫度迅速升高。用 DSC 測量不飽和聚酯在不同升溫速率的吸熱、放熱情況。 將分別進(jìn)行了 1h、 4h和 8h處理好的碳纖維每組分成兩部分分別剪成 1~２ mm 和２ ~３ mm 按照配方稱取所需原料和試劑，按照：不飽和聚酯 → 碳纖維 → 引發(fā)劑 → 促進(jìn)劑 的加料順序加料，每加一樣藥品要攪拌均勻再加下一樣藥品。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 試驗(yàn)原料和設(shè)備 主要實(shí)驗(yàn)原料 表 試驗(yàn)原料 Table test raw materials 化學(xué)名稱（縮寫） 生產(chǎn)廠家 191不飽和聚酯（ UPR） 肥城德源化工有限公司 2引發(fā)劑（ 50%過氧化環(huán)己酮的鄰苯二甲酸二 丁酯糊） 肥城德源化工有限公司 2促進(jìn)劑（ 8%~10%萘酸鈷的苯乙烯溶液） 肥城德源化工有限公司 碳纖維（ CF） 中科院山西煤化研究所 濃硝酸（ 60%~65%） 西隴化工股份有限公司 主要試驗(yàn)設(shè)備 表 Table experimental equipment 設(shè)備 型號 生產(chǎn)廠家 拉力試驗(yàn)機(jī) LJ500 廣州試驗(yàn)儀器廠制造 沖擊試驗(yàn)機(jī) XJJ5 河北承德試驗(yàn)機(jī)廠 數(shù)顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī) WES5 長春試驗(yàn)機(jī)廠 烘箱 DHG9030A 上海一恒科技有 限公司 掃描電鏡 KYKYEM3800 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 ： 表 Table test formula 原料和試劑 質(zhì)量份 不飽和聚酯 (UPR) 100 2引發(fā)劑 2促進(jìn)劑 碳纖維 (CF) 變量 2引發(fā)劑： 50%的過氧化環(huán)己酮的鄰苯二甲酸二丁酯糊 2促進(jìn)劑： 8%~10%萘酸鈷的苯乙 烯溶液 試驗(yàn)流程 用玻璃紙做成一次性的小模具 ,拉伸樣條做成長為 12mm 寬為 10mm 厚為 4mm，沖擊樣條做成長 8mm 寬 10mm 厚 4mm。但由于碳纖維表面的官能團(tuán)數(shù)量及種類較少 , 只用偶聯(lián)劑處理的效果往往不太理想。這樣偶聯(lián)劑就在樹脂與碳纖維表面起到一個(gè)化學(xué)媒介的作用 , 將二者牢固地連在一起 , 從而達(dá)到提高界面強(qiáng)度的目的。發(fā)現(xiàn)經(jīng)電聚合處理之后的碳纖維單絲的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、以及斷裂伸長率都有明顯提高 , 復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度有了大幅度提高 , 沖擊強(qiáng)度也有明顯改善。 ? 電聚合法 電聚合法是在電場力的作用下使含有活性基團(tuán)的單體在碳纖維的表面聚合成膜 , 以改善其表面形態(tài)和組成。 另一種方法是先用喹啉溶液處理 碳纖維 , 經(jīng)干燥后在 1600℃下裂解 , 所得到的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度可提高 2~７倍。由于增加了大量的含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán) , 提高了碳纖維與基體材料的浸潤性和反應(yīng)性 , 有利于改善碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能 , 因此 , 它是目前最具有實(shí)用價(jià)值的方法之一。石墨板具有良好的導(dǎo)電性能和耐腐蝕性 , 在工業(yè)化生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。它是以碳纖維作為 陽極而浸在電解質(zhì)溶液中的碳電極充當(dāng)陰極 , 電解液中含氧陰離子在電場作用下向碳纖維移動(dòng) , 在其表面放電生成新生態(tài)氧 , 繼而使其氧化 , 生成羥基、羧基、羰基等含氧官能團(tuán) , 同時(shí)碳纖維也會(huì)受到一定程度的刻蝕 , 產(chǎn)生了孔洞和溝槽 ,形成一定的粗糙度 , 從而增加了纖維與太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 基體間的機(jī)械鍥合作用。他們同時(shí)將液相氧化與熱空氣氧化處理作了比較 , 發(fā)現(xiàn)熱空氣氧化處理的纖維表面含氧基團(tuán)明顯較少 ,不利于提高樹脂與纖維間的界面結(jié)合。 ? 液相氧化法 液相氧化法主要是將碳纖維浸入到某種氧化性溶液中 , 通過氧化劑來氧化刻蝕碳纖維表面。 氣相氧化法設(shè)備簡單 , 反應(yīng)時(shí)間短 , 易和碳纖維工業(yè)生產(chǎn)線銜接 , 實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理。目前表面處理改性的方法可以分為氧化法及非氧化法兩大類。（ 4）碳化。（ 2）紡絲。兩者在結(jié)構(gòu)和性能上的差別主要取決于瀝青原料的組成。當(dāng)纖維和樹脂界面粘結(jié)較差時(shí)，纖維被拉出，負(fù)荷不能傳遞，形成剪切破壞，未進(jìn)行表面處理的高模纖維常常是這種類型的破壞，此時(shí)復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度與基體的力學(xué)性能無關(guān)。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的 1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在 3500Mpa 以上，是鋼的 7~9 倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa 亦高于鋼。 圖 碳纖維微結(jié)構(gòu) Figure carbon fiber microstructure 目前應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。隨著溫度的升高，原纖沿纖維軸取向排列。微晶是碳纖維微結(jié)構(gòu)的基本單元。以瀝青纖維為原料時(shí)，炭化得率高達(dá) 80～ 90％，成本最低，是正在發(fā)展的品種。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于 2%。按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通常的做法是通過對纖維的表面進(jìn)行處理提高與其樹脂的結(jié)合力，但是如果結(jié)合力過大會(huì)造成復(fù)合材料過脆易碎。具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能。 表 Table unsaturated polyester formula 通用 191不飽和聚酯樹脂配方 原料名稱 分子量 摩爾比 投料量（㎏） 重量比（ %） 丙二醇（ PG） 順酐（ MA） 苯酐（ PA） 石蠟 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 對苯二酚 續(xù)表 UA9 理論縮水量 聚酯產(chǎn)量 苯乙烯（ ST） 樹脂產(chǎn)量 生產(chǎn)工藝流程介紹 (1) 工藝流程如圖。它是由丙二醇、苯酐、順酐按一定的配比 , 在 160~210℃經(jīng)縮聚而制得 , 再加入阻聚劑、石蠟及苯乙烯、光穩(wěn)定劑等 , 于70~80℃下混溶后得到具有一定粘度的液體樹脂成品。我們通常所指的后期固化就是指這個(gè)階段。該階段中，樹脂與某些溶劑（如乙醇、丙酮等）接觸時(shí)能溶脹但不能溶解，加熱時(shí)可以軟化但不能完全熔化。 (3) 不飽和樹脂固化過程的表觀特征變化 不飽和聚酯樹脂的固化過程可分為三個(gè)階段，分別是： （ 1） 凝膠階段（ A 階段）：從加入固化劑、促進(jìn)劑以后算起，直到樹脂凝結(jié)成膠凍狀而失去流動(dòng)性的階段。 (2) 不飽和聚酯樹脂固化過程中分子結(jié)構(gòu)的變化 UPR 的固化過程是 UPR 分子鏈中的不飽和雙鍵與交聯(lián)單體（通常為苯乙烯）的雙鍵發(fā)生交 聯(lián)聚