Cu-CF/EP复合材料导电与阻尼性能研究

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(1 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2 中国兵器工业豫西工业集团有限公司研发中心，河南 南阳 473000)

Cu-CF/EP复合材料导电与阻尼性能研究

赵雄伟1，臧充光1，焦清介1，马庆坤2

(1北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2中国兵器工业豫西工业集团有限公司研发中心，河南南阳473000)

研究不同长径比的碳纤维(CF)对环氧树脂阻尼性能的影响，从结构设计上对CF镀铜处理，采用SEM对镀铜CF(Cu-CF) 进行验证，并研究Cu-CF/EP复合材料的力学、导电以及阻尼性能。结果表明：CF表面镀铜均匀；加入较少量大长径比CF能很好地提高复合材料的冲击强度，但是弯曲强度却明显降低，而加入较多的小长径比CF对材料的力学性能有所增强。此外CF-P3200能很好地提高复合材料的导电性能和阻尼性能。

碳纤维；阻尼性能；导电性能；复合材料

随着现代科学技术的飞速发展，火箭、卫星、舰艇、火车、汽车等的功率和速度都有很大程度的提高，这必然带来宽频带的随机振动和噪声，并将激发起仪器和设备结构的多重共振，导致设备结构破坏，仪表失灵。因此，阻尼减振降噪技术受到工业界和科技界的高度重视[1,2]。多年来，人们研究了多种解决振动和噪声的方法，其中阻尼技术是最为有效的方法。通常把系统损耗振动能或声能的能力称为阻尼。阻尼越大，输入系统的能量便能在较短时间内损耗完毕，因而系统从受激振动到重新静止所经历的时间就越短，所以阻尼也可理解为系统受激后迅速恢复到受激前状态的一种能力。各类阻尼材料已广泛应用于许多领域[3]，包括各种机械设备的隔声罩，发动机的外壳，各种交通工具，如汽车、船舶、航天器上的舱壁、大型管道系统及民用家电等，而且随着现代工业的不断发展，对阻尼材料的需求也日益增加[4]。也就是说，这一技术的研究在促进国防建设和国民建设上具有重要的价值和意义。

复合材料由于具有质量轻、刚度大、强度高的优点已被广泛地应用于各个工业部门，尤其是在航空航天工业中得到了广泛的应用。聚合物复合阻尼材料主要品种有芳纶/EP复合材料，短碳纤维增强复合材料和碳纤维增强塑料复合材料等。Dutra等[5]研究了聚丙烯纤维(PP)/EP以及聚丙烯纤维-巯基改性的乙烯醋酸乙烯酯/环氧树脂复合材料的动态力学性能。从纯EP固化物到以上两个体系的损耗因子(tanδ)依次降低，Tg依次向高温移动。无机填料对阻尼性能的影响，除了与填料本身性质有关，主要受其形态的影响。填料通常的形状是片状、纤维状或颗粒状。一般认为，比较疏松的、带有微孔的填料有利于改善高聚物的动态力学性能。这是因为当疏松有微孔的填料与互穿网络复合时，可能增大了互穿网络与填充物的相互作用，当分子链段运动时，会增加体系的内摩擦力，在动态力学损耗谱上表现出阻尼损耗因子极值、储能模量增大。刘建英等[6]、李晓静[7]分别研究和设计了泡沫铝/环氧复合材料，认为这是一种内耗值较高的轻质高强材料，其阻尼机理主要是界面摩擦耗散能量。Tantawy等[8]制备了一种含钛微粒(20μm)、硅烷偶联剂、增塑剂的多孔环氧树脂复合材料。就钛微粒的影响而言，材料的损耗因子随钛微粒含量的增加而增大，可能是钛微粒平均间距减小，能够充分地分散在多孔环氧基体中，与基体分子链结合紧密。另外，新型填料如晶须、压电材料、纳米材料等与环氧树脂复合的阻尼材料也逐渐受到重视，这些材料可能具有与通常的阻尼材料不同的阻尼机理。张文等[9]对氧化锌晶须/环氧复合材料的减振阻尼特性进行了研究，认为阻尼系数随晶须加入量增加呈线性关系，氧化锌晶须渗入到复合材料中形成微观的阻尼结构，起到降低固有振动频率和增大衰减率的作用。Suhr等[10]分别以硅纳米颗粒、硅纳米棒、硅纳米弹簧为填料，环氧树脂为基体制成薄膜，研究了这三种环氧树脂薄膜的阻尼性能。

近年来碳纤维(CF)由于其优异的力学性能和电学性能被广泛应用于复合材料[11,12]，如Rahmani等[13]研究了CF/EP压层复合材料的力学性能；Tsotra等[14]研究了CF/EP复合材料的导电性能与力学性能。然而随着工业技术的发展，人们已经不满足于单纯CF的补强效果，开始寻求更高效的补强填料，为此科学家们将CF金属包覆[15,16]，在制备聚合物复合材料时，一方面可以有效避免CF在机械共混时表面损伤，另一方面可以增加CF与基体的界面相容性，有利于导电、导热网络的形成[17]，同时镀有金属的CF自身电热传导能力也得到了提升，具有更高的传导能力[18]。Li等[19]在CF表面镀Ag，并研究了镀银CF/EP复合材料的热传导与电磁屏蔽性能；Wang等[20]在CF表面镀Ni，并研究镀镍CF/硅橡胶复合材料的电磁屏蔽性能；Yu等[18]在CF表面镀Cu，并研究了镀铜CF的热性能。朱明明等[21]制备了镀铜CF，并研究了镀Cu短CF增强Cu基复合材料的性能。

本工作选择CF作为导电填料，并在CF表面镀铜，选择强度高，模量高，具有优异的弯曲强度和拉伸强度，但是冲击强度较差并且阻尼性能也不好的EP作为基体材料，采用简单的溶液共混法制备CF/EP阻尼复合材料。研究不同添加量的镀铜前后的CF对复合材料的导电性能、阻尼性能和力学性能的影响，找出了使材料获得最优性能的最佳配方。

1 实验

1.1原材料

E-51环氧树脂，无锡迪爱生环氧有限公司；1415B固化剂，广州百联合成材料有限公司生产；碳纤维(CF-P200,CF-P1200,CF-P3200三种，长度分别为0.2,1.2,3.2mm，直径为7～8μm，拉伸强度3500～3800MPa，拉伸模量220～240GPa，体积电阻率为1.6×10-3Ω·cm)，盐城市翔盛碳纤维科技有限公司；十二烷基硫酸钠、锌粉、十二烷基苯磺酸钠、五水硫酸铜、磷酸三丁酯，国药集团化学试剂有限公司；H2SO4、HNO3、HCl、丙酮、无水乙醇，北京化工厂。

1.2实验步骤

(1)CF预处理

首先称取20gCF于500mL烧杯中，加适量蒸馏水浸没，在30℃恒温水浴中电动搅拌，转速控制为500r/min，边搅拌边加入1g十二烷基硫酸钠，搅拌1h后超声分散1h。超声过程中，间歇搅拌，水温保持在38～44℃，功率250W。超声后抽滤，蒸馏水洗涤，干燥后备用。

称取12g上述CF加入烧杯中，加适量丙酮浸没，3h后抽滤，烘干，置于420℃马弗炉中1h，得表面去胶氧化的碳纤维，备用。称取10g去胶氧化的CF加入500mL烧杯中，加蒸馏水刚好淹没，超声分散15min后置于30℃恒温水浴中，电动搅拌，转速控制为500r/min，边搅拌边加入6.5g锌粉，再加入十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠各1g，搅拌5min。称取15g五水硫酸铜用200mL蒸馏水稀释后逐渐加入，再用稀硫酸调节pH值至4，继续搅拌2h后抽滤。镀铜结束后，将镀铜CF加入到1.5%(质量分数，下同)苯骈三氮唑溶液中，对CF进行钝化处理，以防止碳纤维上的铜被氧化，钝化后用去离子水清洗镀铜CF，然后将其放在真空干燥箱中烘干，即得镀铜CF(Cu-CF)。

(2)复合材料制备

称取25g经50℃加热变稀的EP，放入三口烧瓶中。在50℃恒温水浴中电动搅拌，转速为800r/min，再称取一定量的碳纤维加入烧瓶中，与EP一起在50℃下水浴加热搅拌10min。然后称取25g的固化剂1415B加入烧瓶中，再加入脱泡剂磷酸三丁酯2mL继续搅拌，同时真空脱气，调节搅拌速率为500r/min，继续真空搅拌0.5h。停止搅拌，趁热将混合物倒入已经涂抹真空硅脂并且经过预热的磨具中，置于80℃的真空干燥箱中2h，停止加热，在烘箱中自然冷却，出模。不同CF添加量如表1所示。

表1 复合材料中CF的添加量Table 1 The additions of different CF in the polymer composites

1.3性能测试

利用S-4800扫描电镜观察填料在基体中的分布情况来分析填料对复合材料性能的影响；利用XWW-50微电子万能试验机和XJJ-50简支梁冲击试验机测试了材料的弯曲强度和冲击强度两个力学性能；利用VA3000动态热机械分析仪测试材料动态力学性能；并测定了材料的体积电阻率(GB/T15662-1995)。

2 结果与分析

2.1填料的形貌分析

图1为不同CF及其复合材料形貌图像。图1(a)为未经过处理的原始束状碳纤维的电镜图片，图中可以清楚地看到杂质附着在碳纤维表面，其表面形态非常光滑整洁，几乎看不到缺陷，所以CF呈憎液性和疏水性。如果以这种CF直接进行镀铜，镀层很难与碳纤维产生较强的机械嵌合力，界面结合强度很差。所以必须对CF进行表面氧化处理，用来提高其表面粗糙度，增加表面活性，获得较理想的表面状态。图1(b)为碳纤维在420℃下空气氧化1h后的碳纤维表面形貌，由图可以看出，碳纤维表面有微量刻蚀出现，表明碳纤维的表面积及粗糙度均得到了一定的增加。从图1(c)可以看到，碳纤维镀铜后，其直径明显变粗，并且表面上的镀层均匀连续，效果较为理想。由图1(d)可看出环氧树脂基体材料的断面裂纹均匀，有的呈条状，有的呈波纹状分布，整个断面光滑致密，纹路有一定的方向性。而添加CF的复合材料断面上有好多悬挂着的CF，说明能更好地增加材料的冲击强度，如图1(e)所示，可以看出CF间相互交错着，从而增加了材料的导电性能，并且增大了CF间的相互摩擦并且能被很好地传导而耗散掉，增大了复合材料的阻尼性能。添加了镀铜碳纤维的复合材料断面裂纹很不规则，并且可以清楚地看到纵横交错的CF在材料中不均匀的分布着，如图1(f)所示。从悬挂着的一根碳纤维也可证明在材料受到冲击而断裂时分两个过程：一是剪切破坏，二是分层和纤维拔出破坏，从而增加了材料的冲击强度。

图1 不同碳纤维及其复合材料形貌图 (a)原始CF；(b)氧化CF；(c)Cu-CF；(d)EP；(e)CF/EP复合材料；(f)Cu-CF/EP复合材料Fig.1 SEM images of raw-CF (a),oxidized CF (b),copper coated CF (c),EP (d),CF/EP composite(e) and copper coated CF/EP composite (f)

2.2复合材料力学性能分析

图2为不同CF添加量对复合材料力学性能的影响。从图2(a)可以看出复合材料的弯曲强度和冲击强度随CF-P200添加量的增加变化趋势并不是很明显，材料的弯曲强度先随着CF的增加而减小，然后再增大，在CF的添加量为15g时达到一最大值87.2MPa。复合材料的冲击强度变化不大，都在6～8kJ/m2之间，当CF的添加量为10g时，其冲击强度为7.7kJ/m2，CF的添加量为15g时的冲击强度为7.2kJ/m2。

图2 不同CF添加量对材料力学性能的影响 (a)CF-P200；(b)Cu-CF-P200；(c)CF-P1200；(d)Cu-CF-P1200；(e)CF-P3200；(f)Cu-CF-P3200Fig.2 Mechanical properties of CF/EP composites with different filler loadings (a)CF-P200,(b)Cu-CF-P200；(c)CF-P1200；(d)Cu-CF-P1200；(e)CF-P3200；(f)Cu-CF-P3200

从图2(b)可以看出复合材料的弯曲强度和冲击强度都随着Cu-CF-P200添加量的增加先增大后减小，在添加量为15g时弯曲强度达到最大值87.2MPa，在添加量为10g时冲击强度最大值为7.8kJ/m2，相对于加入镀铜前的CF材料的力学性能变化并不大。

图2(c)可以看出复合材料的冲击强度随着CF-P1200添加量的增加而增大，在添加量超过5g后增加趋势有所放缓；而弯曲强度则随着CF添加量的增加而减小，在添加量超过5g后减小趋势有所增大。当CF-P1200的添加量为5g时其冲击强度和弯曲强度分别为9.0kJ/m2和55.5MPa。

从图2(d)可以看出复合材料的弯曲强度随着1.2mm长Cu-CF添加量的增加而减小，但是变化幅度不大，都在81～86MPa之间。复合材料的冲击强度随着Cu-CF-P1200添加量的增加有比较大的提高，在添加量为5g时其冲击强度为9.3kJ/m2。

从图2(e)中可以看出复合材料的冲击强度随3.2mm长CF添加量的增加而迅速增大，当添加量达到2g时增速放缓，并且之后少有回落，在添加量为2g时的冲击强度为14.0kJ/m2。其弯曲强度却随着CF添加量的增加而迅速减小，当添加1g时强度从基体的85.6MPa变为30.5MPa，之后减速放缓，当CF添加2g时其弯曲强度为22.6MPa。

从图2(f)可以看出复合材料的冲击强度和弯曲强度随着3.2mm长Cu-CF添加量的增加而呈现与图2(e)相同的趋势，当Cu-CF添加量为2g时，其冲击强度和弯曲强度分别为13.2kJ/m2和25.2MPa。

纤维复合材料在受到冲击时，第一阶段是剪切破坏，第二阶段则由分层和纤维拔出破坏两个过程。因为当复合材料在应力作用下，由于纤维和基体的弹性模量相差很大，在同样应力的作用下，碳纤维的应变远小于基体的应变，而使得基体受到破坏后还能缓冲一定的能量。从以上的数据中也可以看出，随着CF长度的增加，复合材料的冲击强度增大趋势也更加明显，这主要是因为在纤维拔出的过程中，具有大长径比的CF和基体有更大的接触面积不容易断裂，从而使得材料的冲击强度明显增大。

随着碳纤维含量的增加，由于混料条件的限制，导致碳纤维的偏聚，与基体结合较差，从而使复合材料的孔隙率增加，进而导致复合材料的弯曲强度降低。从以上的数据可以看出随着CF含量的增加，复合材料的弯曲强度逐渐减小了，但是加入0.2mm长CF的材料却又有回升的趋势，在添加量为30%时达到最大值。随着CF长度的增大，复合材料弯曲强度减小的幅度增大，并且CF添加量在逐渐减少时便会使其弯曲强度迅速降低。如当1.2mm长CF的添加量为10%时，复合材料的弯曲强度为55.5MPa，当3.2mm长CF添加量为4%时其弯曲强度为22.6MPa。这主要是因为随着碳纤维长度增加，碳纤维彼此间容易搭接，而导致团聚，从而使碳纤维的富集区增多，易于产生空隙或气孔等缺陷，导致导电复合材料弯曲性能的降低。因此纤维长度的增加，复合材料性能在碳纤维含量较小时便会有比较明显的变化。

从以上的分析数据中可以看出只有当CF的长度为1.2mm时，添加镀铜前后CF的复合材料弯曲强度有很大的不同，添加镀铜CF的复合材料的弯曲强度随着CF添加量的增加只有小幅度的减小，而添加没有经过镀铜处理的CF的复合材料的弯曲强度随着CF添加量的增加而迅速减小，如CF添加量为10%时，没有镀铜时的弯曲强度为55.5MPa，而镀铜后的为82.0MPa。而添加镀铜前后0.2mm和3.2mm的CF却都没有这种变化，这可能是因为1.2mm长的CF镀层比较均匀并且与碳纤维和基体间的界面都能够很好的相容的缘故。但是冲击强度却没有明显的增大，这是因为其界面结合能只是对较小的应力有比较明显的作用，而对冲击强度这种需要摆锤的瞬间冲击产生很大应力的影响就不会那么明显了。

2.3复合材料导电性能分析

图3揭示了复合材料的体积电阻率随碳纤维的添加量的变化趋势。由图3(a)可以看出加入CF-P200和Cu-CF-P200复合材料的导电性能都有所提高，相同添加量下，Cu-CF-P200对复合材料的导电性能提高明显高于CF-P200，加入Cu-CF-P20020g的复合材料体电阻率为7.9×108Ω·cm，基本上还属于绝缘材料。而当添加CF-P1200和CF-P3200时复合材料的体电阻率明显降低(如图3(b)所示)，在添加4g时，二者均出现了渗滤现象，当添加量增至5g时，CF-P1200对复合材料导电性提高达到最大值，继续添加对复合材料导电性影响较小，而Cu-CF-P1200在添加量达到6g时仍可以有效地提高复合材料的导电性，说明Cu-CF-P1200具有更高的补强效果，加入Cu-CF-P12006g时材料的体积电阻率为7.2×103Ω·cm。图3(c)为CF-P3200和Cu-CF-P3200添加量对复合材料体电阻率的影响，从图中可以看出，在低添加量下，Cu-CF-P1200/EP复合材料的导电性优于CF-P1200/EP复合材料，然而在添加量达到4g时，二者的导电性能趋于相同，这可能是由于随着添加量的增大，CF在EP中逐渐形成完善的导电网络，导致二者的导电性趋于相同。与Cu-CF-P200和Cu-CF-P1200相比，Cu-CF-P3200对复合材料的导电性影响更大，添加量仅为3g时，CF-P3200/EP复合材料的体积电阻率降为7.2×105Ω·cm。

图3 复合材料体电阻率随填料添加量的变化 (a)CF-P200和Cu-CF-P200；(b)CF-P1200和Cu-CF-P1200；(c)CF-P3200和Cu-CF-P3200Fig.3 Volume resistivity of various CF/EP composites with different fillers loadings (a)CF-P200 and Cu-CF-P200;(b)CF-P1200 and Cu-CF-P1200;(c)CF-P3200 and Cu-CF-P3200

复合型导电高分子材料的导电性主要取决于填料的分散状态。根据渗流理论，原来孤立分散的填料在体积分数达到某一临界含量以后，就会形成连续的导电通路，这时离子处于两种状态，一是离子间发生物理接触，电荷载流子可在连续的导体内流动；二是离子间有黏结剂薄层存在，以致载流子本身的激活而运动。导电纤维之所以受到人们如此的青睐，主要是因为它能够提供长程导电通道。根据渗流理论，导电网络的形成是复合材料实现导电功能的前提条件，纤维的长径比越大，越有利于导电纤维彼此之间的搭接而形成导电通道。从图3中可以看出长径比大的碳纤维要比长径比小的更能增加复合材料的导电性，且镀铜碳纤维复合材料的导电性优于碳纤维， 可能是由于镀铜后镀铜碳纤维导电性变大，在EP中的分散性变好，不易团聚，更加有利于导电网络的形成。

2.4复合材料阻尼性能分析

根据以上碳纤维的添加量对材料的弯曲强度和冲击强度的分析，分别选择加0.2mm长碳纤维15g，1.2mm长碳纤维5g和3.2mm长碳纤维2g做阻尼测试，其损耗因子随温度的变化曲线如图4所示。

图4 复合材料损耗因子随温度的变化曲线 (a)CF/EP；(b)Cu-CF/EPFig.4 Loss factor of different composites with temperature (a)CF/EP;(b)Cu-CF/EP composites

从图4(a)可以看出，基体的损耗因子最大峰值在70℃时为0.46，而当添加碳纤维时，CF/EP复合材料的损耗因子峰值基本出现在70℃左右，且略有增大。从图4(b)可以看出，随着Cu-CF添加，Cu-CF/EP复合材料的损耗峰移向低温，并且随着Cu-CF长径比的增大损耗峰逐渐移向低温，峰值逐渐增大，峰宽也明显增大。

加入填料对聚合物材料阻尼性能的影响有两方面。一方面，填料填充了聚合物分子链段间的间隙，使自由体积减小，限制了分子链段的运动，降低了阻尼值，起副作用；另一方面，在玻璃化转变区内，填料与聚合物及填料之间的内摩擦作用随分子运动的加剧而增大，从而提高了材料的阻尼值。究竟哪一种作用占优势，取决于填料本身的结构。碳纤维和EP以及碳纤维之间的摩擦作用消耗了部分能量，从而提高了材料的阻尼值。CF表面光滑，对复合材料阻尼性能提高有限，不同长径比CF对复合材料影响大体相同。而对于Cu-CF，长径比大的Cu-CF对复合材料的阻尼性能提高较大并且逐渐移向室温，具有小长径比的Cu-CF易于产生空隙或气孔等形成中间相,从而提高复合材料的阻尼性能，而具有大长径比的Cu-CF容易彼此之间的搭接而形成导电通道，可以很好地将摩擦产生的热量经过导电而耗散，从而有效地提高了材料的阻尼性能。而峰值逐渐移向低温说明了材料具有高阻尼性能的主要因素已经不是高分子链在玻璃化转变温度附近的运动而消耗能量。

3 结论

(1)对CF进行分散→碳纤维表面去胶氧化→镀铜→钝化处理，丙酮可以较为彻底地清洗掉碳纤维表面的杂质，镀铜后CF直径明显加粗，其表面镀层均匀连续。

(2)加入较少量长径比大的CF就能很好地提高复合材料的冲击强度，但是弯曲强度却明显降低。加入较多的长径比小的CF对材料的力学性能有所增强。

(3)大长径比的CF能够有效地提高复合材料的导电性能和阻尼性能，小长径比的CF对复合材料的导电性能和阻尼性能有所增强。

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(本文责编：解 宏)

ConductivityandDampingPropertiesofCopperCoatedCF/EPComposite

ZHAOXiong-wei1，ZANGChong-guang1，JIAOQing-jie，MAQing-kun2

(1StateKeyLaboratoryofExplosiveScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081，China;2ResearchCenterofYuxiIndustriesGroup,NorincoGroup,Nanyang473000,Henan，China)

The effect of different length-diameter ratios of carbon fibers (CF) on damping property of CF/EP composites was investigated. The CF was coated with copper structurally and the copper coated CF (Cu-CF) was verified by SEM. The mechanical，electrical and damping properties of composites were studied. The results show that the copper plating is coated on the surface of CF uniformly; the addition of a little large length-diameter ratio CF can enhance the impact strength of CF/EP composites effectively, while the bending strength decreases; the addition of more small length-diameter ratio CF can also improve the mechanical properties of the composites. In addition, the large length-diameter ratio CF can heighten the conductivity and damping property of composites easily.

carbon fiber；damping property；electrical conductivity；composite

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001412

TB332

： A

： 1001-4381(2017)09-0045-07

爆炸科学与技术国家重点实验室自主研究项目(YBKT15-07)；国家自然科学基金资助项目(11172042)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20121101110014)

2015-11-18;

：2016-07-27

臧充光(1965-)，女，副教授，从事特种能源防护材料研究工作，联系地址：北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室(100081)，E-mail:zangchongguang@bit.edu.cn.