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1、黑龙江大学自然科学学报第14卷第4期JOURNALOFNATURALSCIENCEVol.14No.41997年12月OFHEILONGJIANGUNIVERSITYDecember,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李滨耀余赋生丁彦滨(黑龙江大学化学系,哈尔滨150080)(中国科学院长春应用化学研究所,长春130022)(哈尔滨化工学校,150080)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
2、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[1]脂材料粘结及各向同性等优点,使其应用领域日益扩大。而复合材料中的纤维长短及长度[2]分布直接影响着复合材料的力学性能,本文选用中科院长春应化所的专利产品聚芳醚酮[3](PEK-C)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
3、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
4、热压成型。碳纤维最终含量为30wt.%,材料的尺寸3为64×60×2mm。黑龙江省教委基金资助项目。收稿日期:1997-03-01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·85·1.1.2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1
5、0mm/min的拉伸速度,用英国Instron1121型材料试验机测定纤维单向排列复合材料的拉伸强度。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2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(cm)滤纸,将此滤纸上纤维分散于载玻片上,用西德OPTONR.POL通用(偏光)显微镜(镜头放大倍数为10)对载玻片上不同位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)。
6、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)200.28380.7111.2400.23859.492.32结果与讨论2.1短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[2]度所需的最小长度,称为该体系的纤维的临界长度(1c)。·86·黑龙江大学自然科学学报第14卷用实验1.2.2测定纤维单向
7、排列复合材料的拉伸强度,用公式(1)计算短碳纤维在SCF/[2]PEK-C中的1c:σc=σf(1-1c/21)Vf+σm(1-Vf)(1)式中:c、f、m分别代表复合材料、纤维和基体σ,、V、1分别代表拉伸强度、纤维体积分数、纤维3长度。其中:1分别为10mm、20mm,Vf为0.45σ,f为2.4x10MPa(厂家给出)σ,m=78MPa(实验测得),经计算1c为0.183mm。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
