基體樹脂中填料SiO2的加入對碳纖維復合材料性能的影響

孔俊嘉 明皓 吳尚鋒

摘? ?要：將環氧樹脂作為基體樹脂，加入一定量經過硅烷偶聯劑偶聯的二氧化硅，攪拌均勻后，與經過表面處理的碳纖維用手糊成型的工藝制備成復合材料。結果表明，當SiO2的加入量為9份時，復合材料的綜合力學性能最佳，拉伸強度和沖擊強度分別提高了6.1%和16%。通過掃描電鏡觀察，SiO2可均勻分布在基體樹脂中，并沒有影響碳纖維與基體樹脂的粘結性，而且提高了整個體系的力學性能。

關鍵詞：二氧化硅? 碳纖維? 環氧樹脂? 復合材料

碳纖維增強復合材料（CFRP）是近代崛起的一類非常引人注目的新型材料，它可以兼顧纖維和基體的性能而成為綜合性能更加優異的工程結構材料和具有特殊性能的工程材料[1-2]。碳纖維增強樹脂基復合材料由于其比重小、力學及化學性能高，首先被廣泛應用于航天航空領域，包括人造衛星和高性能飛機的齒輪、軸承等機械材料以及機翼、機身等輕質材料[3]。用碳纖維和環氧樹脂基體復合而成的樹脂基復合材料是目前用得最多，也是最重要的一種結構復合材料[4]。環氧樹脂具有優良的化學穩定性、粘合性、力學性能、低收縮性、易加工和低成本等優點，應用范圍非常廣泛[5-6]。納米二氧化硅主要呈現三維的結構模式，分子結構中有大量的不飽和殘鍵和不同鍵合狀態的羥基，這種結構模式可以大大提高材料的硬度和強度，并且尺寸小能夠存于高分子鍵的空隙中，可以增強復合材料的強度、韌性和延展性[7-9]。本文在改性環氧樹脂中，加入一定量的納米二氧化硅，其涂覆的復合材料的拉伸強度和彎曲強度均有所提高，并且沖擊強度提高的幅度更大，說明填料SiO2的加入有效地改善了環氧樹脂的韌性和綜合力學性能[10]。

1? 實驗部分

1.1 主要原料

納米二氧化硅（SiO2）;雙馬來酰亞胺;二氨基二苯基甲烷;環氧樹脂E51;碳纖維。

1.2 主要儀器設備

電子拉力試驗機：RGD-5，深圳市瑞格爾儀器有限公司;數字沖擊試驗機：GT-7045-MD，高鐵科技股份有限公司;綜合熱分析儀，STA449C，德國耐馳;高低真空掃描電子顯微鏡：Hitachi-800，日本日立公司。

1.3 實驗工藝方法

將環氧樹脂加入到燒杯中，在90℃恒溫加熱磁力攪拌鍋中預熱5min后，加入一定量經過硅烷偶聯劑偶聯的二氧化硅，待攪拌均勻后，加入雙馬來酰亞胺，恒溫攪拌15min，降溫至70℃，再加入已經熔融的二氨基二苯基甲烷，使溶液攪拌均勻。與經過表面處理的碳纖維用手糊成型的工藝制備成復合材料，做成標準樣條。

2? 結果與討論

2.1 對拉伸強度和彎曲強度的影響

由圖1可以看出，CFRP的拉伸強度呈現出先增加后減小的趨勢，當SiO2用量為9份時，拉伸強度達到411.2MPa，比初始狀態提高了6.1%，由于經過偶聯劑偶聯的SiO2與基體樹脂發生了化學鍵的結合，增強了界面的粘結，使SiO2能夠承擔一定的載荷，提高了材料的拉伸強度。當SiO2含量過多時，容易在樹脂發生團聚，影響整個體系的性能。

當CFRP受到彎曲應力時，材料的下表面承受的是拉應力，而材料的上表面承受的是壓應力，材料的中部受剪切應力的作用。可見，材料在受到彎曲應力時，其受力狀態比較復雜。從圖1可以看出，基體樹脂中加入SiO2的彎曲強度與純基體樹脂涂覆的CFRP相比變化不大。

2.2 對沖擊強度的影響

由圖2可知，當SiO2在基體樹脂中用量為9份時，CFRP的沖擊強度最大為98.4kJ/m2，比初始狀態提高了約16%，繼續增加SiO2含量時，體系的沖擊強度則出現下降的趨勢。這說明SiO2能夠在基體樹脂中分散均勻，能使基體樹脂的韌性有所提高。當體系受到沖擊的時候，均勻地分散在基體中的SiO2與基體之間的銀紋吸收沖擊能，阻止銀紋的擴散，同時因為應力場的相互作用，在基體內產生很多的微變形區，吸收一部分的能量。而當SiO2含量過大，粒子之間過于接近，材料受應力時產生的微裂紋和塑性變形太大，有可能發展成宏觀應力開裂，從而使材料性能下降。

2.3 復合材料熱重分析

由圖3可知，基體樹脂中加入9份SiO2后，CFRP的熱穩定性有所下降，從初始的357.5℃下降到354.3℃，因為SiO2不溶于基體樹脂，SiO2的加入使基體樹脂粘度增加，鏈段間的反應速率降低，阻礙了體系中各鏈段間的反應，從而導致體系的熱分解溫度降低。

2.4 復合材料斷面形貌分析

圖4為基體樹脂中加入9份SiO2的碳纖維復合材料斷口形貌。由圖可知，SiO2均勻的分布在基體樹脂中，大部分碳纖維周圍都包裹著基體樹脂，說明SiO2的加入并沒有影響碳纖維與基體樹脂的粘結性，斷口表面雖有少量裂紋，但SiO2的存在阻止了基體樹脂的繼續開裂，使裂紋發生在可控范圍內并吸收能量，SEM圖直觀的證明了基體中加入合適量的填料對整個體系的力學性能都有所提高。

3? 結語

（1）在碳纖維復合材料中，SiO2的加入量為9份時，CFRP的綜合力學性能最佳，拉伸強度和沖擊強度分別提高了6.1%和16%。

（2）通過掃描電鏡觀察，基體樹脂內加入9份SiO2后，SiO2均勻分布在基體樹脂中，并沒有影響碳纖維與基體樹脂的粘結性，而且提高了整個體系的力學性能。

參考文獻

[1] 許兆輝，朱建鋒，丁勇，等.碳纖維復合材料力阻效應研究綜述[J].玻璃鋼/復合材料，2015（7）：86-90.

[2] 耿正，孔諒，王敏，等.碳纖維增強復合材料（CFRP）與鋁合金的攪拌摩擦點焊[J].電焊機，2017（2）：18-26.

[3] 鄭國棟，張清杰，鄧火英，等.不同官能化碳納米管對MWCNTs-碳纖維/環氧樹脂復合材料力學[J].復合材料學報，2015（3）：640-648.

[4] 唐見茂.碳纖維樹脂基復合材料發展現狀及前景展望[J].航天器環境工程，2010（3）：269-280.

[5] 劉廣程，林嵐輝，劉宇哲，等.環氧樹脂改性方法的研究現狀及進展[J].科技風，2019（20）：275.

[6] 蔡小霞，韓濤，李聰，等.環氧樹脂增韌改性研究進展[J].科技風，2019（20）：275.

[7] 柯昌銀.納米二氧化硅環氧樹脂復合材料研究進展[J].齊魯工業大學學報，2019（3）：29-34.

[8] 朱德智.增強增韌的環氧樹脂/二氧化硅納米復合材料的制備與研究[J].塑料工業，2017（6）：66-69.

[9] 高朋召，林明清，林海軍，等.納米二氧化硅改性環氧樹脂復合材料的性能研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2015（6）：1-6.

[10]王春齊，江大志，肖加余.納米SiO2改性環氧樹脂及其復合材料性能研究[J].功能材料，2012（22）：3048-3053.