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1、黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报第 14 卷 第 4 期1997 年 12 月JOURNAL OF NA TURAL SCIENCEOF HEILON GJ IAN G UN IV ERSITYVol. 14 No. 4December ,1997碳 纤 维 长 度 及 其 分 布 对 复 合材 料 力 学 性 能 的 影 响赵 东 宇(黑 龙 江 大 学 化 学 系 ,哈 尔 滨 150080)李 滨 耀 余 赋 生(中 国 科 学 院 长 春 应 用 化 学 研 究 所 ,长 春 130022)丁 彦 滨(哈 尔 滨 化 工 学 校 ,150080)黑 龙 江 省 教 委 基 金
2、 资 助 项 目 。收 稿 日 期 :1997 - 03 - 01摘 要 本 文 利 用 英 国 Instron 材 料 试 验 机 ,测 定 了 短 碳 纤 维 增 强 聚 芳 醚 酮 复 合 材 料(SCF/ PEK - C)的 弯 曲 强 度 及 复 合 材 料 中 的 碳 纤 维 的 临 界 长 度 (1c) ,利 用 西 德 的 偏 光 显 微 镜测 定 了 复 合 材 料 中 的 纤 维 长 度 分 布 ,讨 论 了 复 合 材 料 中 纤 维 的 平 均 长 度 及 分 布 对 材 料 力 学 性能 的 影 响 ,结 果 表 明 :复 合 材 料 中 小 于 1c 的 纤 维 越
3、 多 ,材 料 力 学 性 能 下 降 得 越 多 。关 键 词 聚 芳 醚 酮 复 合 材 料 纤 维 临 界 长 度短 纤 维 复 合 材 料 与 长 纤 维 复 合 材 料 相 比 ,由 于 具 有 易 于 加 工 成 型 、 生 产 周 期 短 、 易 于 与 树脂 材 料 粘 结 及 各 向 同 性 等 优 点 ,使 其 应 用 领 域 日 益 扩 大 1 。 而 复 合 材 料 中 的 纤 维 长 短 及 长 度分 布 直 接 影 响 着 复 合 材 料 的 力 学 性 能 2 ,本 文 选 用 中 科 院 长 春 应 化 所 的 专 利 产 品 聚 芳 醚 酮( PEK - C)
4、 3 与 短 碳 纤 维 (SCF)复 合 ,通 过 控 制 混 合 过 程 ,使 其 内 部 纤 维 长 度 及 分 布 不 同 ,进 而利 用 材 料 试 验 机 和 偏 光 显 微 镜 ,测 定 此 复 合 材 料 中 的 碳 纤 维 的 临 界 长 度 及 长 度 分 布 ,并 讨 论 了复 合 材 料 中 纤 维 的 平 均 长 度 及 分 布 对 材 料 力 学 性 能 的 影 响 。 此 项 研 究 ,国 内 外 尚 未 见 报 道 。结 果 表 明 :选 择 适 宜 的 混 合 方 法 ,可 提 高 复 合 材 料 中 的 纤 维 平 均 长 度 ,增 加 复 合 材 料 中
5、大 于 1c的 纤 维 含 量 ,提 高 复 合 材 料 的 力 学 性 能 ,并 分 析 了 复 合 材 料 力 学 性 能 随 其 内 部 纤 维 平 均 长 度 下降 而 降 低 的 原 因 。1 实 验 部 分1. 1 复 合 材 料 的 制 备1. 1. 1 短 碳 纤 维 复 合 材 料 的 制 备实 验 时 首 先 分 别 用 丁 酮 、 二 氯 甲 烷 将 切 短 后 的 吉 林 炭 素 厂 生 产 碳 纤 维 进 行 连 续 抽 提 洗 涤各 3 小 时 ,以 除 去 其 表 面 环 氧 浆 料 。 然 后 在 室 温 下 ,将 干 燥 后 的 SCF 与 徐 州 造 漆 厂
6、 生 产 的 聚芳 醚 酮 PEK - C 树 脂 按 比 例 依 次 置 于 密 炼 机 中 混 合 ,控 制 转 速 为 20r/ min、 40r/ min ,混 合 时 间为 3 分 钟 ,用 自 制 平 板 硫 化 机 在 300 下 热 压 成 型 。 碳 纤 维 最 终 含 量 为 30wt . % ,材 料 的 尺 寸为 64 60 2mm3 。1. 1. 2 碳 纤 维 单 向 排 列 长 纤 维 复 合 材 料 的 制 备用 CHCl3 配 制 PEK - C 胶 液 ,浸 渍 碳 纤 维 ,经 缠 绕 制 成 无 纬 布 ,切 割 后 交 错 叠 置 ,300 下热 压
7、制 得 不 同 长 度 碳 纤 维 单 向 排 列 的 复 合 材 料 。1. 2 材 料 性 能 测 试1. 2. 1 弯 曲 强 度 的 测 试 :在 压 头 半 径 为 2mm、 跨 距 为 21. 5mm、 压 速 为 10mm/ min 的 测 试 条 件 下 ,用 英 国 Instron1121 型 材 料 试 验 机 测 定 短 碳 纤 维 复 合 材 料 的 弯 曲 强 度 。1. 2. 2 拉 伸 强 度 的 测 试 :以 10mm/ min 的 拉 伸 速 度 ,用 英 国 Instron 1121 型 材 料 试 验 机 测 定 纤 维 单 向 排 列 复 合 材料 的
8、拉 伸 强 度 。1. 2. 3 短 碳 纤 维 复 合 材 料 中 碳 纤 维 长 度 及 其 分 布 的 测 定 :取 不 同 混 合 速 度 的 SCF/ PEK - C 试 样 各 少 许 ,在 室 温 下 用 N、 N - 二 甲 基 甲 酰 胺 反 复 溶解 ,直 至 溶 液 中 不 再 有 PEK - C 树 脂 ,用 滤 纸 过 滤 后 干 燥 ,再 切 取 1x1 (cm2) 滤 纸 ,将 此 滤 纸 上纤 维 分 散 于 载 玻 片 上 ,用 西 德 OPTON R. POL 通 用 (偏 光 )显 微 镜 (镜 头 放 大 倍 数 为 10)对 载 玻片 上 不 同 位
9、置 的 纤 维 进 行 随 机 观 察 、 拍 照 。 将 照 片 放 大 后 ,准 确 量 出 各 个 纤 维 长 度 ,计 算 出 总数 分 别 为 500、 1000、 1500、 2000 根 时 的 纤 维 长 度 分 布 及 平 均 长 度 (表 1、 表 2) 。表 2 不 同 长 度 纤 维 及 其 复 合 材 料 性 能 比 较混 合 转 速 (r/ min) 平 均 长 度 (mm) 大 于 1c 纤 维 的 含 量 ( %) 弯 曲 强 度 (MPa)20 0. 283 80. 7 111. 240 0. 238 59. 4 92. 32 结 果 与 讨 论2. 1 短
10、碳 纤 维 长 度 对 复 合 材 料 性 能 的 影 响纤 维 增 强 聚 合 物 基 复 合 材 料 中 ,纤 维 的 增 强 作 用 是 通 过 当 材 料 受 力 时 基 体 把 应 力 传 递 给纤 维 ,使 材 料 应 力 得 以 分 散 而 实 现 的 。 短 纤 维 增 强 复 合 材 料 的 增 强 效 果 与 纤 维 的 长 度 有 密 切关 系 。 因 为 纤 维 在 不 同 体 系 中 所 能 承 受 的 最 大 应 力 与 长 度 有 关 ,在 某 体 系 中 ,纤 维 达 到 最 大 强度 所 需 的 最 小 长 度 ,称 为 该 体 系 的 纤 维 的 临 界 长
11、 度 (1c) 2 。58第 4 期 赵 东 宇 等 :碳 纤 维 长 度 及 其 分 布 对 复 合 材 料 力 学 性 能 的 影 响用 实 验 1. 2. 2 测 定 纤 维 单 向 排 列 复 合 材 料 的 拉 伸 强 度 ,用 公 式 (1) 计 算 短 碳 纤 维 在 SCF/PEK - C 中 的 1c2 : c = f (1 - 1c/ 21) Vf + m (1 - Vf) (1)式 中 :c、 f 、 m 分 别 代 表 复 合 材 料 、 纤 维 和 基 体 , 、 V、 1 分 别 代 表 拉 伸 强 度 、 纤 维 体 积 分 数 、 纤 维长 度 。 其 中 :1
12、 分 别 为 10mm、 20mm ,Vf 为 0. 45 , f 为 2. 4x103MPa (厂 家 给 出 ) , m = 78MPa (实验 测 得 ) ,经 计 算 1c 为 0. 183mm。图 1 纤 维 所 能 承 受 的 最 大 应 力 与 其 长 度 的 关 系纤 维 临 界 长 度 是 短 纤 维 复 合 材 料 体 系 的一 个 重 要 参 数 ,直 接 影 响 着 材 料 的 力 学 性 能 ,有 时 载 荷 传 递 长 度 和 纤 维 临 界 长 度 又 称 为 无效 长 度 ,这 是 因 为 超 过 这 个 长 度 ,纤 维 承 受 的应 力 不 再 增 加 ,不
13、 同 长 度 下 纤 维 所 承 受 的 最 大应 力 见 图 14 ,由 图 1 可 知 ,在 靠 近 纤 维 端 部 一个 小 的 范 围 内 应 力 小 于 最 大 纤 维 应 力 ,这 将 影响 复 合 材 料 的 强 度 。 然 而 ,当 纤 维 长 度 大 于 载荷 传 递 应 力 时 ,材 料 特 性 与 连 续 纤 维 增 强 复 合材 料 特 性 类 似 。2. 2 纤 维 长 度 分 布 对 短 纤 维 复 合 材 料 连 续 性 能 的 影 响图 2 不 同 转 速 下 复 合 材 料 中 纤 维 长 度 分 布 图近 年 来 ,随 着 短 纤 维 增 强 材 料 的 发
14、 展 ,人 们 在 理 论 上 正 试 图 建 立 一 个 由 纤 维 长 度 分 布 来 描述 复 合 材 料 力 学 性 能 的 模 型 5 7 。 但 是 人 们 首 先 必 须 测 准 纤 维 长 度 分 布 ,国 外 目 前 所 用 的 方法 是 ,用 一 个 自 动 显 微 放 大 计 算 机 系 统 对 分 散 的 纤 维 来 进 行 分 析 数 据 和 曲 线 绘 制 。 给 出 纤 维长 度 分 布 和 平 均 长 度 ,但 这 种 方 法 对 没 有 完 全 分 开 的 纤 维 无 法 测 量 。 本 实 验 用 偏 光 显 微 镜 照像 法 测 得 混 合 转 速 为 2
15、0r/ min 试 样 的 纤 维 长 布 (见 表 1) ,借 助 计 算 机 计 算 ,当 测 量 总 数 为 500、1000、 500、 2000 根 时 ,纤 维 的 总 平 均 长 度 和 在 各 测 量 区 间 上 (如 小 于 0. 138 ,0. 138 - 0. 276 ,0.276 - 0. 414)的 百 分 含 量 及 其 及 平 均 长 度 。 当 测 量 总 数 改 变 时 ,纤 维 在 各 长 度 区 间 的 百 分 含 量和 平 均 长 度 相 近 (例 如 在 小 于 0. 138 长 度 区 间 上 ,对 于 测 量 总 数 为 500 ,1000 ,15
16、00、 2000 根 时 ,百 分 含 量 分 别 为 21. 8 % ,19. 7 % ,19. 1 % ,19. 1 % ,平 均 长 度 分 别 为 0. 09 ,0. 09 ,0. 09 ,0. 0968 黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第 14 卷(mm) )因 此 ,当 测 量 总 数 大 于 500 根 时 ,纤 维 长 度 分 布 相 同 ;从 纤 维 总 的 平 均 长 度 来 看 ,测 量 总数 为 500 ,1000 ,1500 ,2000 根 时 分 别 为 0. 258mm ,0. 283mm ,0. 285mm ,0. 286mm ,因 此 测 量1000 根 即 能 接 近 准 确 的 平 均 值 。 实 验 结 果 说 明 ,此 方 法 虽 繁 琐 ,但 实 用 ,随 机 选 出 1500 根 样品 进 行 测 量 ,就 可 得 到 准 确 长 度
