應用在橋梁施工中碳纖維復合材料的制備工藝研究

謝建武

（天津交通職業學院,天津300112）

國內橋梁建設在近年來得到了迅猛發展,這主要與國內經濟高速發展、橋梁施工技術取得長足進步以及橋梁用材不斷升級等[1]有關,尤其是近些年國內橋梁建設一直呈現穩步增長的態勢,按照預先設定的設計內容建造橋梁,需要從橋梁所需的原材料等各個環節進行控制,而隨著國內重載型汽車等逐步增多,現代化橋梁的承重難題逐漸顯現,而實現橋梁輕量化和提高橋梁用材抵抗彎曲的強度都是可行的方案[2]。碳纖維復合材料由于密度小、比強度高等優點有望在橋梁施工管理中應用,然而目前的碳纖維復合材料的研究多集中在短切碳纖維上[3-4],而在長碳纖維增強樹脂基復合材料方面的研究報道較少,加工成型工藝及其對彎曲強度的影響規律也不清楚[5-7]。在此基礎上,本文選取長碳纖維和樹脂為原料,考察了模壓成型工藝對碳纖維復合材料彎曲強度的影響,結果將有助于高性能碳纖維復合材料的開發和推動其在橋梁施工中的應用。

1 試驗材料與方法

1.1 原料與設備

樹脂基體為長春吉大特塑工程研究有限公司提供的含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚腈砜（粘度0.51、5%熱失重519.2、殘炭率50.44%）；增強材料為日本東麗公司提供的T700型長碳纖維（長度25mm、拉伸強度5200MPa、拉伸模量265GPa、斷后伸長率1.98%、密度1.82g/cm3）。

主要設備：蘇州捷和實業有限公司的XLB-D0.25型真空模壓機；上海恒黔科技有限公司的HOCHECK真空烘箱；美國MTS公司的INSTRON 3382型萬能試驗機；日本JEOL公司的IT500型鎢燈絲掃描電鏡。

1.2 試件制備

將含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚腈砜進行水煮24h后,置于氯仿溶液中進行溶解,過濾后沉降出樹脂并真空烘干,然后在真空烘箱中進行120℃保溫5h的干燥處理,然后真空保存。將經過預處理的含二氮雜萘酮聯苯結構聚芳醚腈砜與氯仿按照體積比1：30的比例進行混合,攪拌均勻后得到樹脂溶液,將樹脂溶液與碳纖維按照每300mL加入5g的比例進行混合,利用高溫模壓成型機制備碳纖維復合材料板[8]。溶液導入導槽中后進行超聲振動處理15min,待溶劑揮發后將預浸料置于真空烘箱中進行155℃/24h熱處理,再進行模壓成型。

1.3 測試方法

根據GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》,將碳纖維復合材料加工成啞鈴形狀（寬10mm、長100mm、跨厚比16）,采用萬能試驗機進行速率為2mm/min的彎曲試驗,最終結果取5組試樣的平均值；彎曲試驗后的試樣斷面形貌采用IT-500型掃描電鏡進行觀察。

2 試驗結果與分析

圖1為模壓溫度對碳纖維復合材料彎曲強度的影響,分別列出了模壓溫度為355℃、360℃、365℃和370℃時碳纖維復合材料的彎曲強度,此時長碳纖維體積含量為40%、壓力設定為8MPa、模壓成型時間為60min。當模壓溫度為355℃時,碳纖維復合材料的彎曲強度為328MPa；隨著模壓溫度升高,碳纖維復合材料的彎曲強度先增大后減小,在模壓溫度為360℃時取得最大值（384MPa）。這是由于模壓溫度較低時,碳纖維復合材料中的樹脂浸潤不夠充分,外加載荷作用下不能均勻受力[9]；當模壓溫度較高時,碳纖維雖然能夠在熔融樹脂中充分浸潤,但是過高的溫度會使得樹脂發生一定程度分解[10],造成碳纖維復合材料彎曲強度降低。通過考察模壓溫度對碳纖維復合材料彎曲強度的影響可知,碳纖維復合材料適宜的模壓溫度為360℃。

圖1 模壓溫度對碳纖維復合材料彎曲強度的影響Fig. 1 Effect of molding temperature on bending strength of carbon fiber composites

圖2為模壓壓力對碳纖維復合材料彎曲強度的影響,分別列出了模壓壓力為6MPa、8MPa、10MPa、12MPa和14MPa時碳纖維復合材料的彎曲強度,此時長碳纖維體積含量為40%、模壓溫度為360℃、模壓成型時間為60min。當模壓壓力為6MPa時,碳纖維復合材料的彎曲強度為300MPa；隨著模壓壓力升高,碳纖維復合材料的彎曲強度先增大后減小,在模壓壓力為10MPa時取得最大值（372MPa）。這是由于模壓壓力較低時,碳纖維復合材料中存在一定的空隙等缺陷[11],彎曲強度較低；當模壓壓力過大時,雖然足夠大的模壓壓力有助于碳纖維在熔融樹脂中的浸潤效果,但是樹脂和碳纖維在模壓過程中容易出現貧膠現象,局部區域還可能出現碳纖維的斷裂,碳纖維的彎曲強度反而有所減小,且成型過程中還可能造成脫模困難的問題[12]。通過考察模壓壓力對碳纖維復合材料彎曲強度的影響可知,碳纖維復合材料適宜的模壓壓力為10MPa。

圖2 模壓壓力對碳纖維復合材料彎曲強度的影響Fig. 2 Effect of molding pressure on bending strength of carbon fi ber composites

圖3為成型時間對碳纖維復合材料彎曲強度的影響,分別列出了模壓成型時間為40min、50min、60min和70min時碳纖維復合材料的彎曲強度,此時長碳纖維體積含量為40%、溫度設定為360℃、模壓壓力為10MPa。當模壓時間為40min時,碳纖維復合材料的彎曲強度為315MPa；隨著模壓成型時間升高,碳纖維復合材料的彎曲強度先增大后減小,在模壓成型時間為60min時取得最大值。這是由于模壓成型時間較短時,碳纖維和熔融樹脂之間還沒浸潤充分,碳纖維彎曲強度較低；模壓成型時間過長,雖然熔融樹脂可以與碳纖維充分浸潤,但是熔融樹脂可能出現局部老化降解[13],導致碳纖維復合材料的彎曲強度降低。通過考察模壓成型時間對碳纖維復合材料彎曲強度的影響可知,碳纖維復合材料適宜的模壓成型時間為60min。

圖4為碳纖維復合材料中長碳纖維體積含量對彎曲強度的影響,分別列出了長碳纖維體積含量為0%～50%時碳纖維復合材料的彎曲強度,此時模壓溫度為360℃、模壓壓力為10MPa、模壓成型時間為60min。當長碳纖維體積含量為0%時,碳纖維復合材料的彎曲強度為122MPa；長碳纖維含量為20%～50%的碳纖維復合材料的抗彎強度都高于0%的試樣,且隨著長碳纖維體積含量增加,碳纖維復合材料的抗彎強度呈現先增加后減小的趨勢,在長碳纖維體積含量為45%時取得最大值。這是由于碳纖維自身具有較高的強度,在復合材料中可以起到增筋作用而承受更高的載荷,且這種增強作用通常會隨著長碳纖維體積含量的增加而增大,但是如果長碳纖維體積含量過高,碳纖維會在復合材料中的浸潤效果會減弱,局部還可能出現纏結而產生應力集中[14],多方面共同作用下會使得復合材料的抗彎強度減小。通過考察碳纖維復合材料中長碳纖維體積含量對彎曲強度的影響可知,碳纖維復合材料適宜的長碳纖維體積含量為45%。

圖4 碳纖維復合材料中長碳纖維體積含量對彎曲強度的影響Fig. 4 Effect of volume content of long carbon fiber in carbon fiber composites on flexural strength

圖5為碳纖維復合材料的斷面形貌。可見,在碳纖維復合材料斷裂后,長碳纖維體積含量為25%～50%時碳纖維復合材料的斷面中都可見被拔出的碳纖維殘留的孔洞,且碳纖維表面較為光滑,這主要是由于熔融浸潤法制備的碳纖維復合材料中的碳纖維與樹脂只是發生了物理結合[15],且模壓過程中由于模壓工藝的緣故,碳纖維與樹脂還有可能出現未浸潤等現象,因此,其彎曲強度會受到模壓壓力、模壓成型時間等的影響,但是相對而言,長碳纖維含量為45%時碳纖維在復合材料中的浸潤效果較好,對復合材料的增強作用達到最佳,為適宜的長碳纖維添加量。繼續增加長碳纖維體積含量,會在局部產生纏結和聚集,外加應力作用下將產生應力集中而降低彎曲強度。

圖5 碳纖維復合材料的斷面形貌 Fig.5 Cross section morphology of carbon fiber composites

3 結論

（1）當模壓溫度為355℃時,碳纖維復合材料的彎曲強度為328MPa；隨著模壓溫度升高,碳纖維復合材料的彎曲強度先增大后減小,在模壓溫度為360℃時取得最大值（384MPa）。

（2）當模壓壓力為6MPa時,碳纖維復合材料的彎曲強度為300MPa；隨著模壓壓力升高,碳纖維復合材料的彎曲強度先增大后減小,在模壓壓力為10MPa時取得最大值（372MPa）。

（3）當模壓時間為40min時,碳纖維復合材料的彎曲強度為315MPa；隨著模壓成型時間延長,碳纖維復合材料的彎曲強度先增大后減小,在模壓成型時間為60min時取得最大值。

（4）當長碳纖維體積含量為0%時,碳纖維復合材料的彎曲強度為122MPa；長碳纖維含量為20%～50%的碳纖維復合材料的抗彎強度都高于0%的試樣,且隨著長碳纖維體積含量增加,碳纖維復合材料的抗彎強度呈現先增加后減小的趨勢,在長碳纖維體積含量為45%時取得最大值。