【正文】 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。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。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 。 ，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。拉伸模量一直隨著碳纖維含量的增加而增加。各種力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度）和拉伸 模量及彎曲模量都相應(yīng)提高。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。 碳纖維取向與力學(xué)性能的關(guān)系 表 纖維長度與拉伸、沖擊性能 Table fiber length and stretching, impact performance 沖擊強(qiáng)度 拉伸強(qiáng)度 1~2mm長 CF 6~7mm長 CF 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 30 1 ~ 2 m m 碳纖維 6 ~ 7 m m 碳纖維0501001502002503003503 3 . 53 1 . 43 2 2 . 03 3 8 . 4強(qiáng)度（MPa）沖擊強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 圖 纖維長度 Figure mechanical strength and fiber length 上圖為碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %的 CF/UPR，不含碳纖維的沖擊強(qiáng)度為 338J/m2,用1~2mm 的碳纖維混入不飽和聚酯中雜亂分布、無取向，沖擊強(qiáng)度為 ，幾乎和不加碳纖維的一樣，但是用 6~7mm 的碳纖維在寬為 10mm 的模具中有沿拉伸方向取向的趨勢，拉伸強(qiáng)度取向的比不取向的增加 %，拉伸強(qiáng)度有明顯提高，而沖擊強(qiáng)度下降到 322J/m2。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。而隨著含量的繼續(xù)增加，纖維承受了主要應(yīng)力使拉伸強(qiáng)度開始增加，但是在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 10%時強(qiáng)度下降，碳纖維密度較小，在相同質(zhì)量下，體積較大，當(dāng)填充量大于 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )時已經(jīng)由于黏度大出現(xiàn)很多氣泡，致使拉伸強(qiáng)度下降。 2~3mm 的 CF/UPR 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%時拉伸強(qiáng)度為，比不加碳纖維的降低 %。硝酸處理后的碳纖維既增加了碳纖維與基體的接觸面積又增加了極性較強(qiáng)的官能團(tuán)，此兩點(diǎn)是硝酸處理后界面作用力增強(qiáng)的主要原因。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。此外羥基（圖中標(biāo)記 ! 的官能團(tuán)）的減少是由于有一部分該官能團(tuán)被氧化為羧基之故。 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)）。經(jīng)硝酸處理后，纖維表面的氧含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處理前， 提高了近 5 倍。 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。這些溝槽和微孔使碳纖維的表面積增大 ,同時這些溝槽微孔還加強(qiáng)了纖維和基體間的機(jī)械互鎖作用。彎曲撓度隨著碳纖維處理時間和碳纖維的加入撓度減小。通過下 表分析，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都是隨著碳纖維的處理時間的提高而提高， 4 小時比 1 小時處理的彎曲強(qiáng)度增加 %， 8小時比一小時的彎曲強(qiáng)度增加 %。 碳纖維的硝酸 (60%～ 65%)處理時間對性能的影響 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 。所以試驗(yàn)操作時間是15min 以內(nèi)。 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。用沖擊試驗(yàn)機(jī)測量無缺口沖擊強(qiáng)度。用 DSC 測量不飽和聚酯在不同升溫速率的吸熱、放熱情況。固化 24 小時后 在 80℃ 下 進(jìn)行 3小時的后處理。 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。 將碳纖維和濃硝酸按照質(zhì)量比 1 ∶ 5 混合攪拌 , 在室溫 15℃左右 處理一定時間 , 用去離子水沖洗至中性 , 然后放到 80℃烘箱內(nèi)烘干為止。 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。 研究目的及意義 目的 ： 明確碳纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 探究碳纖維含量和纖維取向?qū)Σ伙柡途埘?fù)合材料性能的影響 意義 ： 本研究對短切碳纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。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。另外 , 在對碳纖維進(jìn)行偶聯(lián)劑涂層處理的同時 , 對 樹脂進(jìn)行一定的處理也能進(jìn)一步改善界面性能 , 從而提高復(fù)合材料的綜合性能。這樣偶聯(lián)劑就在樹脂與碳纖維表面起到一個化學(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。電聚合的電壓比較低 , 時間短 , 可與碳纖維生產(chǎn)線相匹配 , 只是工序較繁雜 ,有的電聚合液不太穩(wěn)定 , 不便連續(xù)操作。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。電聚合的基本歷程為 : 帶有羧基的高聚物的陰離子在電場力的作用下向陽極的表面移動 , 發(fā)生質(zhì)子化作用而沉積在其表面形成聚合膜。 ? 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。氣相沉積處理法是在碳纖維和樹脂的界面引入活性炭的塑性界面區(qū)來松弛應(yīng)力 , 從而提高了復(fù)合材料的界面性能。 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。 ? 氣相沉積法 近年來 , 用氣相沉積技術(shù)對碳纖維進(jìn)行涂覆處理是碳纖維改性的一個重要方面 , 在高模量結(jié)晶型碳纖維表面沉積一層無定性碳來提高其界面黏接性能 , 增加復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。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)用價值的方法之一。例如 , 硝酸、硫酸、磷酸氫氧化鉀、氫氧化鈉、磷酸鉀硝酸鈉、碳酸銨、碳酸氫銨、碳酸二氫銨