碳纤维针织物自润滑复合材料力学性能研究

张强 张鹏 孙友松 程永奇

(广东工业大学材料与能源学院，广东 广州，510006)

碳纤维针织物自润滑复合材料力学性能研究

张强 张鹏 孙友松 程永奇

(广东工业大学材料与能源学院，广东 广州，510006)

研究了真空处理和短切纤维二次增强对碳纤维平纹布和碳纤维针织物复合材料力学性能的影响。结果表明:真空处理前后其压缩强度分别提高了8.86%和8.08%，冲击强度则分别提高了15.55%和9.43%；短切纤维二次增强效果明显，压缩强度分别提高了9.91%和22.52%，但冲击强度略有下降。

碳纤维针织物 复合材料 真空处理 短切纤维 力学性能

碳纤维复合材料具有轻质、高强、尺寸稳定、可整体成型等优点，成为重要的工程结构材料并部分取代传统的金属材料。本课题组提出一种创新型钢背-自润滑复合材料衬层传动螺母，兼有高的承载能力和低的摩擦系数[1]。采用钢背为基底，碳纤维针织物为增强结构，环氧树脂为基料配以石墨、二硫化钼、滑石粉等润滑成分粘接制成的碳纤维针织物复合材料衬层，除具有承载能力高、耐冲击、无层间剥离等特点外，还因碳纤维具有多晶乱层石墨结构及润滑成分的综合作用，使其表现出摩擦系数低、寿命长等良好的自润滑特性，是近年发展起来的一种具有很高使用价值的新型高性能复合材料[2]。

下面主要讨论短切碳纤维二次增强及真空处理对碳纤维针织物自润滑复合材料力学性能的影响，为制作新型高效重载复合材料传动螺母奠定基础。

1 试验部分

1.1 主要原料

短切碳纤维,5～6 μm，青岛远辉复合材料有限公司;固化剂(DDM),阿拉丁公司；环氧树脂,E-51,岳阳石油化工公司；活性稀释剂，501，广州恒福化工有限公司；增塑剂邻苯二甲酸二丁酯，西陇化工股份有限公司；MoS2和石墨，分析纯，均为天津大茂化学试剂厂；滑石粉，市售。

1.2 树脂基体成分制备

复合材料以环氧树脂为基体，添加物为增塑剂、滑石粉、石墨、MoS2、短切纤维、固化剂等，经前期多次试验确定配方比例(质量分数)。为比较短切纤维对织物性能的影响，选取2种配方如表1所示。

1.3 碳纤维针织物及碳纤维平纹布试样

碳纤维针织物采用申风牌KH-860型手动编织横机，平针编织T300-3000型针织物基础试样；碳纤维平纹布采用日本东丽C06142号T300-1000型，厚度0.15 mm。

1．4 样品制备

按表1制备不同复合材料，将润滑组分搅拌均匀后缓慢加入环氧胶体并充分搅拌备用。经表面预处理后的碳纤维针织物和平纹布均采用手糊模压法制备冲击、压缩试样，真空处理试样利用深圳快科真空注塑机在表压-0.1 MPa下真空处理1 h后再次予以补胶。螺旋加压合模，四角的金属垫块控制试样厚度，其结构示意如图1所示。在环氧高温固化台上100 ℃加热2 h，再160 ℃加热2 h后随炉冷却。

1.5 性能测试

树脂含量按照GB/T 3855—1983测试；冲击强度按照GB/T 1843—2008测试，压缩性能按照GB/T 1448—2005测试。

2 结果与讨论

2.1 真空处理对复合材料力学性能的影响

表2给出了真空处理前后碳纤维平纹布和针织物压缩强度和冲击强度的变化情况。在对碳纤维平纹布和针织物进行同样预处理后均采用树脂基体序号No.1制备试样并测试。

从表2可以看出，真空处理后碳纤维平纹布和针织物的压缩强度分别提高了8.86%和8.08%，冲击强度则分别提高了15.55%和9.43%。

图2是织物冲击断口形貌。

从图2可以看出，图2(a)中碳纤维平纹布冲击断口层次分明，大致呈“V”形断面，且靠近表面位置出现明显的层间剥离现象，说明在冲击过程中试件中部纤维首先发生层间脱黏，横向剪切断裂并向两侧面扩展开来；而图2(b)中碳纤维针织物断口较为平整，部分碳丝拔出，更多是树脂胶体承受冲击载荷，纤维束则在其中起到间断性增强作用，为典型的脆性断裂。

图3(a)，(b)为试件轴向压缩断面的扫描电镜照片，图3(c),(d)为压缩试样宏观形貌。

从图3(a)可以看出，碳纤维平纹布试件中纤维束排列十分紧密，其断口纤维破坏情况清晰可见，即纤维沿某一方向分层断裂，说明纤维是压缩时的主要承载体，层间应力集中导致纤维依次断裂并使裂纹扩展至下一层，最初的开裂位置常位于纤维结合强度较弱地方，即层间贫酯区。而图3(b)可以看出主要承载体为间断性的碳纤维丝束及其树脂基体填充物，由于织物纤维的不连续，树脂基体承载能力不如纤维，导致此类针织物力学强度低于碳纤维平纹布试件的。由图3(c),(d)可以看出，纤维在沿试件宽度方向断口比较平整，厚度方向断口约呈45°，为典型的剪切破坏特征。其次，压缩试验载荷-位移曲线在断裂前基本呈现线性变化，为典型的脆性断裂状态，但针织物的压缩在裂纹产生到最终断裂过程中存在几次波动，而碳纤维平纹布试样在达到最大力后出现陡降，即突然破裂。说明碳纤维平纹布树脂基体受力较为均匀，针织物试样由于纤维含量较少，树脂基体为其主要承载对象，当裂纹延伸至纤维束周边时，基体与纤维先发生脱黏，而后纤维受力断裂。

2．2 纤维二次增强对复合材料力学性能影响

对2种不同织物先预处理，再采用树脂基体序号No.2树脂基体真空处理后按标准完成冲击、压缩试样制备并测试，其结果如表3所示。

短切纤维的加入对碳纤维平纹布和针织物压缩强度均有所增强，其值分别提高了9.91%和22.52%。但是二者冲击强度均呈现不同程度的下降，分别下降了29.34%和17.97%。

3 结论

a) 真空处理使碳纤维平纹布和针织物复合材料浸胶充分，同时其压缩强度相对非真空条件提高了8.86%和8.08%，冲击强度则分别提高了15.55%和9.43%。

b) 短切纤维的引入对碳纤维平纹布和针织物复合材料的压缩强度有明显增强效果，起到二次增强的作用，其值分别提高了9.91%和22.52%，但其冲击性能却有不同程度降低趋势。

c) 单层碳纤维横机针织物整体成型并加以短切碳纤维作二次增强体制备螺母内衬，力学强度基本符合重载传动螺母使用需求。同时可避免纤维铺层工艺中层间剥离问题，也改善了短切纤维注射成型衬层强度不够的缺陷。

[1] 贺福. 碳纤维及其应用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[2] 李春梅,孙友松，王万顺，等. 碳纤维/聚合物自润滑复合材料的机械及摩擦性能[J].现代塑料加工应用，2011,23(4),5-9.

下期主要信息

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Mechanical Properties of Self-Lubricating Carbon Fiber Knitted Fabric Composite Materials

Zhang Qiang Zhang Peng Sun Yousong Cheng Yongqi

(School of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou, Guangdong,510006)

The effects of vacuum treatment and double reinforce by short fiber on the mechanical properties of carbon fiber plain cloth or carbon fiber knitting fabric composite materials were studied. The results show that their compression strength increase by 8.86% and 8.08% and the impact strength increase by 15.55% and 9.43% through vacuum treatment respectively. Double reinforce by short fiber has significant influence on the compressive strength and promote the compressive strength of carbon fiber plain cloth and carbon fiber knitting fabric by 9.91% and 22.52%respectively, but the impact strength decreases slightly.

carbon fiber knitted fabric; composite materials; vacuum treatment; short fiber; mechanical properties

2014-08-26;修改稿收到日期:2014-12-22。

张强(1988—)，硕士研究生，研究方向为碳纤维自润滑复合材料。E-mail：zhangqiang198809@163.com。

国家自然科学基金资助项目(51175088, 51105211)，国家级大学生创新创业训练计划资助项目(201311845031)。