注射成型短碳纖維增強聚乙烯復合材料力學性能的研究

徐先鋒，胡艷艷，敖學東

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013）

注射成型短碳纖維增強聚乙烯復合材料力學性能的研究

徐先鋒，胡艷艷，敖學東

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013）

研究了碳纖維含量對注射成型高密度聚乙烯／短碳纖維復合材料拉伸強度、彈性模量和硬度的影響。結果表明，隨著短碳纖維含量的增加，復合材料的硬度、彈性模量和拉伸強度逐漸增大；當短碳纖維含量小于3.3%時，復合材料的硬度、彈性模量和拉伸強度成線性增加趨勢；當短碳纖維含量大于3.3%時，復合材料的硬度、彈性模量和拉伸強度的上升趨勢增大。

碳纖維；聚乙烯；復合材料；增強；注射成型

0 前言

復合材料是由兩種或兩種以上性質不同的材料，通過一定工藝手段復合而成的，各組分在性能上起協同作用，可以發揮各自材料的優點，克服單一材料的缺陷，得到單一材料無法獲得的綜合性能［1］。在樹脂基復合材料中，樹脂基的主要功能是在纖維之間通過剪切的方式傳遞載荷，并使得材料中的應力重新分布。近年來，隨著成型工藝的不斷成熟，熱塑性復合材料已成為復合材料領域中最引人注目的研究熱點。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有多次加工性及良好的耐沖擊性能，越來越受到人們的重視［2］。

碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高導熱、低熱膨脹、耐化學輻射和良好的生物相容性等，此外，還具有纖維特有的柔曲性和可編性，它的比強度和比模量均優于其他無機纖維。聚乙烯具有優良的耐寒性、耐水性、化學穩定性和介電性能，加工性好，價格低廉，因此得到廣泛的應用，但是其耐熱性、強度和剛度差，容易發生環境應力開裂，故需要碳纖維來增強［3］。碳纖維增強樹脂基復合材料具有質量輕、強度高、密度低、比模量高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等一系列特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展［4］。本文選用短碳纖維作為高密度聚乙烯（PE－HD）的增強材料，研究了短碳纖維含量對注射成型制品力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

碳纖維，T700，日本東麗公司，其性能指標如表1所示；

PE－HD，1600J，湖南石油化學公司，長期使用溫度最高可達100℃，熔體流動速率為18g／10min，密度為0.958g／cm3，其主要性能指標如表2所示［3］。

表1 碳纖維的主要性能指標Tab.1 Properties parameters of carbon fiber

表2 PE－HD的主要性能指標Tab.2 Properties parameters of PE－HD

1.2 主要設備及儀器

注塑機，XS－ZY500，上海塑機廠；

自動轉塔數顯顯微硬度計，XHV－1000Z，上海尚材試驗機有限公司；

精密萬能試驗機，AG－250KN2SMD，日本島津公司。

1.3 樣品制備

將碳纖維與PE－HD按比例均勻混合后注射成型，并將注射成型制品加工成拉伸試樣和硬度測試試樣，料筒溫度為160～220℃，模具溫度為80～90℃，注射壓力為70～100MPa。

1.4 性能測試與結構表征

采用顯微鏡硬度儀測試復合材料的硬度，施加載荷為1.96N，試樣為10mm×10mm的小方塊，每個試樣測試6～8個點，取平均值；

采用精密萬能試驗機測試復合材料的拉伸性能，拉伸速率為5mm／s，試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 The sample size for tensile testing

2 結果與討論

2.1 碳纖維含量對復合材料硬度的影響

從圖2可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的硬度上升；當碳纖維含量小于3.3%時，硬度和碳纖維含量基本成線性關系；當碳纖維含量超過3.3%時，出現了拐點，隨著碳纖維含量的增加硬度迅速上升。碳纖維是脆性材料，強度和比模量高，能提高復合材料的硬度［5］。碳纖維在PE－HD中是隨機分布的，彼此之間互相搭接，在樹脂基體中形成骨架，隨著碳纖維含量的增加，搭接點數量增加，使得碳纖維的骨架作用增強，其周圍的高分子鏈的移動受到阻礙，抵抗外物侵入的能力得到提高［6］。復合材料的強度是由碳纖維的強度、碳纖維跟樹脂基體的界面黏結強度以及樹脂基體的剪切強度決定的。碳纖維作為增強材料，分布形式是網絡狀的，是復合材料中主要的承載物質，其高比強度和高彈性模量的特性大大降低了樹脂基體的塑性變形，增強了復合材料的硬度。當碳纖維含量小于3.3%時，其在樹脂基體中較分散，樹脂基體是載荷的主要承擔者，其硬度和碳纖維含量基本成線性關系；當碳纖維含量大于3.3%時，碳纖維成為載荷的主要承擔者，硬度大幅度上升。而且碳纖維和樹脂通過注射成型后復合效果很好，硬度得到了很大的提高。但當碳纖維含量過高時，其在樹脂基體中可能出現纖維間的堆積，出現局部缺陷，使得復合材料的力學性能降低。

圖2 碳纖維含量對復合材料硬度的影響Fig.2 Effect of content of carbon fiber on hardness of the composites

2.2 碳纖維含量對復合材料彈性模量的影響

從圖3可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的彈性模量上升；當碳纖維含量小于3.3%時，彈性模量和碳纖維的含量基本成線性關系；當碳纖維含量超過3.3%時，出現了拐點，隨著碳纖維含量的增加，彈性模量迅速上升。

彈性模量是描述材料在線度方向受力后，抵抗形變能力的重要物理量，代表使原子離開平衡位置的難易程度，其表征材料本身的性質，是表示晶體中原子間結合力強弱的物理量，是組織結構不敏感的參數，僅與材料的物質結構、化學結構及其生產工藝等相關，與材料的幾何形狀和所受到外力的大小無關。碳纖維的彈性模量為228GPa，而PE－HD的彈性模量僅為1.5GPa，注塑機螺桿的攪動使碳纖維與PE－HD得到了很好的混合，從而導致隨著碳纖維含量的增加，復合材料的彈性模量也逐漸增加。當碳纖維含量小于3.3%時，雖然復合材料的彈性模量有所增加，但增加幅度并不大，這主要是因為當碳纖維含量較少時，其承擔的應力也相對較少，并且由于碳纖維的加入切斷了原來連續的基體，在樹脂中形成了一定的缺陷，不利于彈性模量的增加。當碳纖維含量大于3.3%時，彈性模量增加顯著，出現拐點的原因在于碳纖維含量為3.3%達到了一個臨界值，同時注塑機的加熱處理使得碳纖維與樹脂之間發生了化學作用，而這一臨界值的碳纖維使得反應變得充分，碳纖維均勻分布于樹脂基體中，較好地承擔了載荷，從而大大提高了復合材料的彈性模量。當然也有可能是碳纖維誘導PE－HD結晶，這種結晶效應增強了界面黏結性，從而提高了復合材料的彈性模量。

圖3 碳纖維含量對復合材料彈性模量的影響Fig.3 Effect of content of carbon fiber on elastic modulus of the composites

2.3 碳纖維含量對復合材料拉伸強度的影響

從圖4可以看出，復合材料的拉伸強度均比純PE－HD高，且隨碳纖維含量的增加而增大；在碳纖維含量小于3.3%時，拉伸強度隨含量增加呈線性增長趨勢；當碳纖維含量超過3.3%時，出現了拐點，隨著碳纖維含量的增加拉伸強度迅速增大。碳纖維是載荷的主要承載體，其含量的變化對復合材料的拉伸強度有決定性影響，樹脂基體可通過界面將應力傳遞給碳纖維；當碳纖維含量較少時，其承受的應力也相對較少，此時樹脂基體傳遞應力的同時自身也承受著一定的應力，因此復合材料的拉伸強度上升較慢；隨著碳纖維含量的增加，其承受了主要應力，樹脂基體主要起傳遞應力的作用，因此復合材料的拉伸強度顯著提高；當碳纖維的含量達到3.3%時，在樹脂中的分布變得均勻，充分彌補了樹脂內部的一些缺陷，致使表面的裂紋尖端等突出部位被較好的充填，裂紋尖端曲率半徑變大，突出部位變得平緩，一些缺陷處的應力集中得到一定程度的緩解，這就需要更大的應力才能使裂紋得到擴展，所以復合材料的拉伸強度得到提高。同時，碳纖維和樹脂通過注塑機的高溫加熱，可能發生了化學反應，導致復合材料的整體結構和性能發生改變，而碳纖維含量達到3.3%時，反應最充分，進而拉伸強度得到了很大的提高。

圖4 碳纖維含量對復合材料拉伸強度的影響Fig.4 Effect of content of carbon fiber on tensile strength of the composites

3 結論

（1）短碳纖維可以提高PE－HD的硬度、拉伸強度和彈性模量；

（2）隨著碳纖維含量的增加，復合材料的硬度、拉伸強度和彈性模量也隨著增大；

（3）碳纖維增強復合材料的注射成型工藝具有制備時間短、操作簡單方便等優點，為一種具有成本優勢的制備方法。

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［4］ 郝元愷，肖加余.高性能復合材料學［M］.北京：化學工業出版社，2004：41－43.

［5］ 戚運蓮，洪權，劉向，等.Ti工業進展［J］.稀有金屬材料和工程，2004，7（11）：28－30.

Qi Yunlian，Hong Quan，Liu Xiang，et al.Ti Industrial Development［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2004，7（11）：28－30.

［6］ 楊雪梅.炭纖維增強橡膠復合材料性能研究［J］.炭素技術，2000，（3）：15－17.

Yang Xuemei.Study on Properties of Carbon Fiber Reinforced Rubber Composites［J］.Carbon Techniques，2000，（3）：15－17.

Study on Mechanical Properties of Injection Molded Short Carbon Fiber Reinforced Polyethylene Composites

XU Xianfeng，HU Yanyan，AO Xuedong

（School of Mechanical ＆Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Samples of polyethylene／short carbon fiber composites were prepared via injection molding.The tensile strength，hardness，and elastic modulus of the composites were studied.It showed that with increasing content of carbon fiber，the tensile strength，hardness，and elastic modulus of the composites increased.When carbon fiber content was lower than 3.3%，these properties increased linearly；when carbon fiber content was higher than 3.3%，these properties increased significantly.

carbon fiber；polyethylene；composite；reinforcement；injection molding

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2012）02－0033－04

2011－09－27

聯系人，yanyanhu＿cool＠163.com

（本文編輯：李瑩）