碳纤维增强环氧树脂的抗阻力特性

吴海池，董 薇

（1.河北科技学院，河北省保定市 071000；2.河北软件学院，河北省保定市 071000）

纤维增强聚合物基复合材料是当前应用广泛的复合材料之一，因其具有质轻、比强度高、疲劳性能优异等优点，被广泛应用于航空航天、化工设备、运动机械等领域［1］。碳纤维增强复合材料密度低，强度高，模量高，具有很强的耐高温性能，尤其适用于对质量、疲劳、刚度特性等要求严格的领域。碳纤维质地轻柔，弹性模量大，具有很强的抗拉伸性能，且基体树脂与碳纤维的化学结构不发生排斥行为。热固性树脂和热塑性树脂的成型工艺和热行为不同。热固性树脂是在加热加压情况下生成的固化剂，可塑能力强，稳定性好，热塑性树脂能够与溶剂融合，软化冷却后可恢复到原来的状态，因此，热塑性树脂形成的材料具有很强的抗冲击性能，加工成本也低于热固性树脂合成的材料［2］。将碳纤维与树脂基体结合能够有效减少复合材料由于湿热腐蚀而造成的老化［3］。

由碳纤维增强环氧树脂复合材料制成的泳衣长期浸泡在水中，不可避免地受到潮湿的水汽影响，泳衣的力学性能也会因为湿热浸泡而出现退化。毛才文等［4］发现，碳纤维不具备吸湿能力，树脂具备吸湿能力，二者在溶胀量上有明显差异，导致基体树脂的极性增高，纤维与基体树脂越来越不匹配，出现膨胀效应，基体与纤维之间出现内应力，如此反复，可能会形成龟裂纹。本文综述了碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力特性。

1 碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力特性

在研究碳纤维增强环氧树脂复合材料抗阻力特性的同时，兰总金等［5］根据拉曼光谱效应和有限元分析理论，采用三维编织技术提高纤维与纤维间的紧密性，确保组成的复合材料是一个完整牢固的整体。碳纤维与环氧树脂的吸湿机理不同，应选择适宜的吸湿机理提高碳纤维强度。通过加强碳纤维的导热性和导电性，增强环氧树脂的抗阻力能力。

1.1 碳纤维增强环氧树脂复合材料抗阻力特性增强技术

目前，碳纤维广泛应用于各领域，而碳纤维复合材料可以使碳纤维得到最大利用。冯宇晨等［6］研究了利用碳纤维制作泳衣，水进入碳纤维增强环氧树脂复合材料制作的泳衣后，会在复合材料中不断扩散，破坏高分子网状结构，作为溶剂的水会与基体树脂发生作用，基体树脂不断溶胀，导致高分子链出现松弛。郭书峰等［7］发现，碳纤维增强环氧树脂复合材料中的极性基团在水中会形成氢键，在水的增塑作用下，降低了复合材料的玻璃化转变温度。周志宏等［8］研究表明，随着泳衣浸泡时间的增加，水会在碳纤维与环氧树脂基体间不断扩散。基体与增强体之间的界面结合越牢固，性能越好，一旦水进入材料，就会破坏界面结合强度，纤维与基体难以紧密地结合到一起，甚至无法形成一个整体，微孔形成漏洞，导致碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力能力降低。

相较于传统材料，碳纤维增强环氧树脂的强度更好，比模量更高，性能更优越，使用这种材料设计的泳衣强度很好。马芳武等［9］指出，碳纤维增强环氧树脂复合材料是一种纺织结构，碳纤维与环氧树脂结合可以有效提高复合材料的厚度、强度，使其在高冲击下的损伤也很小。以碳纤维增强环氧树脂型泳衣为例，其采用编织方式将碳纤维与环氧树脂结合到一起，重点突出了纤维与纤维间的整体性，加强了整体剪切强度、抗冲击损伤特性。使用三维编织技术进行材料加工，在整个加工过程中，对于纤维的损伤都是极小的，甚至没有损伤，材料的整体性得到很好保护，而整体性的增强，也会进一步提升材料的刚度和强度。张广成等［10］发现，在利用碳纤维制备复合材料时，纤维都是按照同一方向排列，如编制泳衣需要利用携纱器使碳纤维增强环氧树脂复合材料在事先设定好的轨迹上正常运行，形成交叉结构和网状结构，交织面夹紧后形成的碳纤维增强环氧树脂复合材料的形态好、结构紧密、抗阻力能力强。为了确保碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力特性，一定要反复检查，分析携纱器沿运动轨迹所在平面的运动方式是否为规律运动方式，只有确保携纱器的运动方式为规律运动方式，才能保证纤维束或纱线的运动是规律的运动方式，纤维形成的结构才能是紧密性较强的网状结构。

在对碳纤维增强环氧树脂复合材料研究的过程中还应用了拉曼光谱效应，由于复合材料中增强材料和基体材料的热膨胀系数不同，所以基体和增强体在膨胀或收缩时会出现失配，复合材料内部出现应力。黄德欣等［11］研究表明，使用碳纤维增强环氧树脂复合材料设计泳衣时，会选用偶联剂和植物纤维对复合材料进行处理，提高界面的黏合性，同时利用铝酸酯偶联剂来增强纤维与树脂的相容性，确保复合材料中拉曼特征峰向高波数发生多普勒频移现象，从而增强碳纤维与环氧树脂的结合能力。

刘静等［12］在分析碳纤维增强环氧树脂复合材料特性时发现，选取的纤维点会对分析结果有很大影响。从图1可以看出，虽然a点观察起来十分容易，但a点处树脂已经被打磨得很薄，所有纤维都直接暴露在外面，如果选取这一点作为观察点，得到的结果十分不准确；b点处纤维埋在树脂下，必须通过激光打透纤维，将打透的纤维返回给探针，才能得到真实的应力结果；c点处纤维埋在很厚的树脂下，周围含有大量环氧树脂，会直接影响测试的特征图谱。

图1 拉曼光谱仪观察下的碳纤维增强环氧树脂复合材料照片（×1 000）Fig.1 Photo of carbon fiber reinforced epoxy resin under observation of Raman spectrometer

纪朝辉等［13］发现，拉曼光谱的偏移转折点将改变碳纤维增强环氧树脂复合材料的渗水状态，说明不同的观察点将影响复合材料整体的抗阻力特性结果。

姜磊等［14］研究了压强与碳纤维增强环氧树脂复合材料位移的关系，发现随着压强的增加，碳纤维增强环氧树脂复合材料的位移变动逐渐增加，应变力逐渐减少，说明碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力特性与压强呈负相关关系。因此，需控制压强避免无关因素对实验的影响。姜磊等［14］还发现，碳纤维增强环氧树脂复合材料的特征位移量影响复合材料抗阻力状态，发生偏移程度越大则证明其抗阻力性能越好。

1.2 碳纤维增强环氧树脂复合材料的吸湿机理

应用吸湿机理可以很好地增强碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力特性。邹在平等［15］发现，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有很强的吸湿能力，当水分子进入复合材料后，会在树脂基体中迅速扩散，借助复合材料纤维与基体表面毛细作用聚积在泳衣空隙、微裂纹，通过水体的作用增加基体大分子的间距，提升刚性基团的活性，当基体出现溶胀时，增塑会更容易。当水进入复合材料后，在基体的吸湿性作用下会迅速扩散，由于内外渗透压作用，基体的内部就会出现微小的裂纹，基体自身的形态也会发生变化，吸湿能力更强。当裂纹扩散后，基体就会破裂，材料可能遭到永久性破坏。在初期阶段，碳纤维增强环氧树脂复合材料的吸湿能力会随着时间的增加而不断增加，复合材料的吸湿能力与时间呈线性关系，扩散方式为Fick扩散。根据Fick扩散理论，碳纤维增强环氧树脂复合材料的吸湿速率与吸湿时间的关系满足式（1）［16］。

式中：G代表碳纤维增强环氧树脂吸湿速率，mL/s；M∞代表饱和条件下的吸湿量，mL；D代表扩散系数；t代表吸水时间，s；Mt代表初始吸湿量，mL；Mi代表平均吸湿量，mL；j代表水分含量，mL；h代表时间变化差，s；Π代表材料适应程度，%。

随着吸湿时间的增加，吸湿进入了后期阶段，碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣虽然也能吸水，但吸水速率比较缓慢，吸水量也越来越平衡，这一时刻的吸湿行为已经满足Fick理论，这一时刻点被称为吸湿点，当过了这个吸湿点，水分进入复合材料的方式不再是纯浓度梯度扩散方式，而是流动方式，主要沿着缺陷和毛细部分，吸湿过程的表达式见式（2）。

式中：c为介质常数；m代表总吸湿量，mL；mm表示吸收点的总吸收量，mL。

谭翔飞等［17］发现，碳纤维增强环氧树脂材质泳衣在游泳初期的吸湿质量满足Fick定律，增加的质量与时间呈线性关系。碳纤维增强环氧树脂复合材料吸湿40 h时达到饱和状态，此时复合材料无法再吸收水分，降低了其所受到的水流冲击程度，进而增强了复合材料的抗阻力能力。

2 碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣在游泳过程中的抗阻力特性

在自然环境下，使用碳纤维增强环氧树脂制成的产品会受到湿热因素影响。赵玉芬等［18］研究发现，在对碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣进行游泳实验时，纤维由于受到潮湿的水汽影响，产生不同的内应力，会出现溶胀、水解、变形、微结构变化等现象。目前，对碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣在抗阻力特性游泳实验领域的研究很少，主要是因为在研究过程存在两个难点：（1）三维编织复合材料微观结构复杂，尤其是在水分浸泡后，被浸湿的纤维难以测定；（2）实验泳池内的水分将对碳纤维增强环氧树脂复合材料制造的泳衣造成一定的破坏，有可能会影响阻力特性分析的精准性。为更好地分析碳纤维增强环氧树脂复合材料在实验泳池中的抗阻力特性，设计碳纤维增强环氧树脂复合材料制作泳衣性能对比实验。选择3名男子一级游泳运动员，在5 m×40 m的游泳池中游泳，运动员同时采用蝶泳、仰泳、蛙泳等方式进行两次游泳，两次测试相隔1 d。第一次游泳时，运动员穿碳纤维增强环氧树脂型泳衣，第二次穿普通泳衣，测试时间为下午两点。为了使测量更加合理，设置拥有大、中、小三种口袋的碳纤维增强环氧树脂型泳衣。由于大袋中含有的负荷很重，运动员在游泳时明显感到吃力，当运动员身穿碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣时，其受到的阻力较普通泳衣时减少了20%～30%，运动员的动作连续性得以增强，做连贯动作更加容易。中袋负荷处于中等状态，当运动员身穿碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣时，运动员受到的阻力较普通泳衣时减少了17%～25%，运动员动作连贯性很好，可以很好地适应大数量训练。小袋负荷较轻，当运动员身穿碳纤维增强环氧树脂复合材料泳衣时，运动员受到的阻力较普通泳衣时减少了8%～12%，运动连贯性得以增强，能够适应前期小规模训练。这表明，碳纤维增强环氧树脂复合材料能够减少泳衣在实验泳池内所占总阻力的比值，所受阻力较小，验证了碳纤维增强环氧树脂复合材料抗阻力能力较强的观点。运动员的成绩测试结果表明，身着碳纤维增强环氧树脂型泳衣的运动员耗时更少，运动动作更加连贯，在水中受到的阻力更小，该结果表明，碳纤维增强环氧树脂的抗阻力能力更强［19］。

3 结语

分析了碳纤维增强环氧树脂复合材料制造的泳衣在游泳过程中的抗阻力特性，利用拉曼光谱验证了碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗阻力能力。被处理后的碳纤维增强环氧树脂复合材料拉曼特征峰会向高波数发生多普勒频移现象，从而提高自身的抗阻力能力。在吸湿过程中，由于碳纤维增强环氧树脂复合材料具有较强的吸湿能力，降低了其所受到的水流冲击程度，增强了复合材料的抗阻力能力。