L200-C型碳纤维片浸润树脂体育用复合材料腐蚀条件下力学性能研究

2021-04-02孙鹤嘉

粘接 2021年3期

孙鹤嘉

（西安工程大学，西安 710048）

0 引言

体育运动是人们强身健体的的重要方式，全民健身热潮的到来促进了我国体育事业的发展。在体育产业中，体育器材和设施对整个行业的发展起到了重要作用。之前的体育设施大多采用钢铁或者木质结构制成，使用感很差，而且普及很困难。随着碳纤维材料的出现和发展，体育运作制造行业也在发生着改变。碳纤维具有质量轻、耐腐蚀和安全性高等性能比普通塑料性能优异，适用于体育器材的制造中[1]。

与以往传统的木制、金属制体育器械相比，碳纤维材料所具备的优势能够进一步提升运动员竞技水平极限，帮助运动员最大程度摆脱体育器械对自身竞技水平发挥造成的负面影响。因此，本文通过制备基于L200-C型碳纤维片浸润环氧树脂XH 130、环氧树脂粘胶所形成的复合材料，对体育领域通用性较高的碳纤维材料的力学性能进行实验分析，所得到结论能够为碳纤维材料在体育领域尤其一般爱好者水平的体育器材加工领域的发展提供数据依据。

1 碳纤维复合新材料的力学性能测验

1.1 试验材料

1）碳纤维片材（Carbon fiber sheet）：实验选用最大升力系数L200-C 型的Carbon fiber sheet。该材料的纱束抱合采用了Dispersion coefficient 不高的12KT700航空级carbon fibre，碳纤维布表面有不同方向、同一性质的玻璃纤维贴贴面，Z（经向）顺直，S（纬向）没有交叉。

2）浸渍树脂（Impregnating resin）：X：环氧树脂XH 130；Y：环氧树脂粘胶。X：Y=3：1。

1.2 制作示范样品

如表1所示为碳纤维片材的力学性能，碳纤维织物具有韧性低、弹性低、耐压差等特点，在拉伸时容易被破坏，需要对其进行改进制成碳纤维复合新材料。目前国外主要是采取的方法是用epoxy resin浸渍碳纤维织物，将其制作而成，在制成碳纤维复合新材料的端头粘贴增强片，之后再进行拉伸[2]。如图1所示为碳纤维复合新材料拉伸试样图，将试样设置成长矩形进行拉伸实验。

表1 碳纤维片材力学性能Tab.1 Mechanical Properties of carbon fiber sheet

图1 碳纤维复合新材料拉伸试样Fig.1 Tensile specimen of new carbon fiber composite material

长度：参照材料之后将试样的长度设置为235mm；宽度：根据碳纤维的密度等因素，将试样的宽度设置为15mm。

1.3 腐蚀环境下碳纤维复合新材料的力学性能试验

1）碱溶液浸渍（Alkali solution impregnation 以下简称ASI）：构成碱溶液的物质配比（去离子水1L）为熟石灰118.5g，烧碱0.9g，氢氧化钾4.2g。将实验样品跟ASI混合放入密闭容器中放置3个月，3个月后取出样品。该样品颜色无明显变化，体重增加0.06g，但是样品的增强片大多被腐蚀脱落了。

2）盐溶液的浸渍（Impregnation of salt solution以下简称IOSS）：该溶液主要是在含量为3.5%的氯化钠。将实验样品放置于IOSS 中密闭保存3个月，3个月后取出样品，该样品颜色同样无明显变化，但是体重增加0.08g，而且有将近一半的样品表面出现气泡（或漏出纤维）。

3）耐候性：将样品进行2000h 的加速老化。实验使用设备使用汉瞻牌Xenon lamp weathering test chamber，型号为LG-72XD。将实验样品进行连续光照和全面辐射（平均辐照度为550W/m2），湿润周期为18min，干燥时间为102min。在反应周期完成之后取出样品，样品颜色发生变化，表面呈土灰色，重量增加0.06g，且有一些增强片脱落[3]。

1.4 试验方法

拉伸实验在T2002-50kn testing machine 上完成，实验采取的样品实验标距为150mm，试验数据（拉伸强度和伸长率）则是通过数据采集获得（荷载传感器和变形传感器）。在数据采集中通过截取伸长率的数值来计算弹性模量，而拉伸弹性模量是在弹性模量的基础上通过变形增加量计算从得来的。

2 实验结果

2.1 试验结果筛选

该试验属于大型样本实验，所需要的数据比较多，会有离群值出现的可能性，在计算实验结果之前需要先进行离群值删除[4]。如表2 所示为删除离群值后的试验样本统计表，按照Grubbs准则进行试验结果检验，在整体方差不明确的情况下，α（显著性水平）=0.05。

表2 删除离群值后的试验样本统计表Tab.2 Statistical table of test samples with outliers deleted

2.2 碳纤维复合新材料应力、应变曲线

图3 各组试样应力曲线变化图Fig.3 Stress curve change diagram of each group of samples

由图3 可知，应力曲线在第一阶段为弹性直线段，在第一、二阶段之间有一个应力点（基体发生屈服）。从图中可以看出，纤维的力学性能对碳纤维复合新材料应力、应变影响很大，因为碳纤维复合新材料的体积较高，而基体比纤维模量低，两者基本呈直线关系[5]。而第一阶段的直线斜率比第二阶段的大，与以上实验相吻合。在第三阶段碳纤维开始出现基体断裂，但是依然存在纤维性能，对材料的强度有作用。

总而言之，碳纤维的应力曲线在第一、二阶段基本相似，几乎接近直线。而新材料在被破坏之前仍然可以保持线弹性变化，通过计算分析（碳纤维布补强加固混凝土结构）可以得出碳纤维复合新材料的应力、应变属于线性关系，其拉伸弹性模量即为直线的斜率[6]。

碳纤维复合新材料在经过被腐蚀之后还可以保持很好的应力、应变，这就说明腐蚀环境不会对碳纤维复合新材料的物理性质产生影响，与其具有的防腐蚀性和耐热性相吻合。

2.3 腐蚀环境条件下复合新材料力学性能分析

从以上试验可以看出，碳纤维复合新材料的各项性能是呈高斯分布的。如表3所示为碳纤维复合新材料的力学性能差异分析，碳纤维复合新材料期望和方差都属于未知的情况下，总体参数随方差的变化而变化，在进行假设试验时，需要先对方差进行假设。

表3 碳纤维复合新材料力学性能差异分析表Tab.3 Difference analysis of mechanical properties of new carbon fiber composite materials

2.4 假设试验结论

上文的试验是在a=0.05的前提下进行的碳纤维复合新材料的力学性能假设研究，因此最后该试验结果的准确性≥0.95[7]。

1）通过以上准备试验可以看出，碳纤维复合新材料的拉伸强度不受腐蚀环境（碱溶液浸渍、盐溶液的浸渍、耐候性）的影响；从均值来看变化也不太明显；但是样品方差在普通环境下小于腐蚀环境下，即ASI＞IOSS＞耐候性，在普通环境下的样本标准差为280.37，在ASI 环境下的样本标准差为542.45。因此，说明了碳纤维复合新材料在腐蚀性强的环境下的强度值的离散性比在普通环境下增大了。碳纤维复合新材料的拉伸强度受碳纤维强度的影响较大，而拉伸强度有无明显变化取决于碳纤维的抗腐蚀性能。在以上试验中仅在IOSS 环境下碳纤维产生了气泡和外露，在一定程度上降级了碳纤维的抗腐蚀性和复合新材料的拉伸度[8]。碳纤维在受腐蚀之后其特性仍然和普通样式一样，这就说明增强了它的离散性，样品在IOSS 环境下产生气泡，说明IOSS 下碳纤维的强度值较低，离散性与其他环境相比最大。

2）碳纤维复合新材料在ASI、IOSS 和耐候性环境下均有明显变化，伸长率较普通环境下变小了，ASI和IOSS环境下下降了21.17%，耐候性环境下下降了17.69%，复合新材料的变形能力受腐蚀性影响会降低。从方差方面来看，碳纤维复合新材料的离散性在经过腐蚀之后降低了，这就表明碳纤维复合新材料的伸长率受腐蚀性影响较大。

3）弹性模量在ASI和IOSS环境下有明显变化，在耐候性环境下无明显变化；从均值方面来看，复合新材料的弹性模量在ASI、IOSS和耐候性环境下都降低了[9]。