短碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料制備與性能

孫海濤

摘要：目前，開發應用的輕質材料主要包括高強度鋼、輕合金材料、工程塑料及復合材料。復合材料主要以高性能纖維增強基體樹脂的復合材料為主。在輕質材料領域，纖維增強樹脂基復合材料是在工程塑料高性能化的基礎上發展起來的，具有質輕、高模高強、易成型、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等特點，在質量減輕與強度方面達到甚至超過了輕質合金、工程塑料等。而本文就短碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料制備與性能進行分析研究。

關鍵詞：短碳纖維；聚乙烯樹脂；復合材料；制備；性能

1 導言

碳纖維增強樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料更頗具優勢。在先進復合材料領域，除廣泛應用的玻璃纖維外，碳纖維、芳綸、超高相對分子質量聚乙烯纖維是當今世界三大高性能纖維，是高性能纖維復合材料領域的關鍵材料。

2 短碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料

碳纖維的用途主要是利用其“輕而強”和“輕而硬”的力學特性，廣泛應用于航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其尺寸穩定性，應用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應用于音響器材；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用于人工骨、韌帶；利用其X光透過性，應用于X光床板等。這些優點都使得碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料有更加廣闊的應用領域。

3 短碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料制備研究

3.1 實驗部分

1）主要原料。聚丙烯腈基碳纖維（12K），T700；低壓高密度聚乙烯，1600J。

2）主要設備及儀器。疲勞試驗機，EHF-EM200K2-070-1A；注塑機，XS-ZY500；掃描電子顯微鏡，JSM-6360LA。

3.2 樣品制備

1）制備工藝：本文以聚乙烯為基體材料和短碳纖維（未處理和氧化處理）為增強材料，均勻混料后采用注射成型制備復合材料。

2）混料：短碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料是非均質材料，原料由聚乙烯樹脂顆粒和碳纖維組成，原料混合是否均勻，對成型過程以及復合材料的性能影響很大，因此混料是很重要的一道工序。

3）注射成型：本文采用注射成型加工純聚乙烯樹脂、加入2%未處理碳纖維的聚乙烯混合料、加入4%未處理碳纖維的聚乙烯混合料、加入2%經氧化處理過的碳纖維的聚乙烯混合料、加入4%經氧化處理過的碳纖維的聚乙烯混合料等樣品，預熱和干燥時間為1～2h，溫度為10～100℃；機筒溫度從前段到后段分別為200～220、180～200、160～180℃，模具溫度為80～90℃，注射壓力為70～100MPa，螺桿轉速為48r/min。

3.3 性能測試與結構表征

按照GB/T16799-1997對碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料以及純聚乙烯材料進行疲勞試驗，采用的載荷類型是拉-拉載荷，試驗波形為正弦波，加載頻率（f）為10Hz，應力比（R）為0.1，載荷應力分別為10、8、6、4、2MPa；每一種載荷力情況下在每一組中取3個試樣進行疲勞測試，測定循環次數后求平均值（N），然后對所有疲勞循環次數N求對數即lgN。

4 短碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料制備結果與討論

4.1 短碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的疲勞性能

從表1和圖1可知，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強聚乙烯復合材料的疲勞壽命增大。隨著外加交變載荷的減少，碳纖維增強聚乙烯復合材料的疲勞壽命在增加，碳纖維含量不同，但疲勞壽命（S-N）曲線走勢大致相似。從理論上講，在疲勞裂紋的產生階段，隨著碳纖維含量的增加，聚乙烯與碳纖維界面增多，對裂紋的產生有利。

本文中的碳纖維最大含量為4.021%，可能小于能夠使復合材料的疲勞性能降低的碳纖維含量臨界值，導致隨著碳纖維含量的增加，復合材料的疲勞壽命增加，不能滿足驗證理論知識。對于金屬材料，我們把S-N曲線上循環次數的對數值為7時所對應的最大應力稱為疲勞極限。但是至今沒有確認復合材料具有這一性質，本文暫且在lgN=3處畫一條平行于Y軸的直線，與所有曲線相交的點對應的應力值為該復合材料的條件疲勞極限。根據圖1可知，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料在循環數N=103即循環次數對數值lgN=3所對應的最大應力即條件疲勞極限值由純聚乙烯的2.379MPa逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步減小，具體條件疲勞極限值如表2所示。

4.2 短碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的斷裂機理

碳纖維增強聚乙烯復合材料的疲勞過程大致可分為疲勞裂紋的產生階段、疲勞裂紋的擴展階段、材料的失效和斷裂階段等3個階段。在疲勞裂紋的產生階段，隨著碳纖維含量的增加，聚乙烯與碳纖維界面越多，對裂紋的產生越有利。在疲勞裂紋擴展階段，如果疲勞裂紋的尖端擴展至跟原裂紋擴展方向不同的碳纖維表面，則裂紋的擴展終止，這時只有裂紋擴展方向改變或從聚乙烯樹脂基體中碳纖維被拔出之后，疲勞裂紋才會繼續擴展，所以碳纖維對復合材料疲勞裂紋的擴展起阻滯作用。隨著聚乙烯樹脂基體中碳纖維含量的增加，應力主要集中在聚乙烯與碳纖維的界面處，當復合材料所受的應力比聚乙烯跟碳纖維界面的黏結力大時將會有裂紋產生，且裂紋沿著碳纖維軸向方向擴展。所以，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的疲勞性能降低。

5 結語

結果表明，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強聚乙烯復合材料的疲勞壽命增加；隨著外加交變載荷的減少，碳纖維增強聚乙烯復合材料的疲勞壽命也增加；碳纖維含量不同的復合材料的S-N曲線走勢大致相似；隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強聚乙烯樹脂復合材料的條件疲勞極限值由純聚乙烯時的2.379MPa，逐漸增大到碳纖維含量為4.021%時的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步減小。

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（作者單位：大慶石化公司）