邊坡錨固用碳纖維增強復合材料的熱固化工藝與性能研究

鄭雪輝

摘要：采用熱固化方法制備了邊坡錨固用碳纖維增強復合材料。研究了電加熱固化、傳統微波間接加熱固化和優化后微波間接加熱固化復合材料的力學及熱學性能。結果表明，在電加熱固化和微波間接加熱固化過程的升溫過程中沒有出現放熱峰，說明碳纖維增強復合材料在電加熱固化作用下已經發生完全固化。相較于電加熱固化工藝，微波間接加熱固化在碳纖維增強復合材料完全固化前提下所消耗的能量僅為前者的24.97%，所需要的時間為前者的60%。微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和層間剪切性能都高于電加熱固化試樣，層間剪切性能平均值相較于電加熱固化提高了49.71%。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料；電加熱固化；微波間接加熱固化；力學性能

中圖分類號：TQ343+.742??????????? 文獻標志碼：A???????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0098-04

Study? on? thermosetting? process? and? properties? of carbon fiber? reinforced? composite? for? slope? anchorage

ZHENG Xuehui

（Guangdong Nanyue Traffic Hehui-Duan Expressway Management Office，Guangzhou 510000，China）

Abstract： Carbon fiber reinforced composites for slope anchorage were prepared by thermal curing method，and the? thermal and mechanical properties of the composites were studied，including electric heating curing，traditional mi- crowave indirect heating curing and optimized microwave indirect heating curing. The results showed that there was? no exothermic peak in the heating process of the carbon fiber reinforced composite during the electric heating cur- ing and the microwave indirect heating curing，indicating that the carbon fiber reinforced composite has been com- pletely cured under the electric heating curing. Compared with the electric heating curing process，the energy con- sumed by microwave indirect heating curing was only 24.97% of the former and the time required was 60% of the? former when the carbon fiber reinforced compositewas fully cured. The tensile properties，compressive properties， bending properties and interlaminar shear properties of carbon fiber reinforced composites cured by microwave indi- rectheatingwere higher than those cured by electric heating. The interlaminar shear properties of carbon fiber rein- forced composites cured by microwave indirect heating were lower than those cured by electric heating，while the av- erage interlaminar shear properties of carbon fiber reinforced composites cured by microwave indirect heating were

Keywords： carbon fiber reinforced composite；Electric heating curing；Microwave indirect heating curing；mechani- cal property

碳纖維復合材料由于具有高強度、高彈性模量、高耐磨和耐蝕等特性而被廣泛應用于工程機械、航空航天等領域[1]。隨著近年來城鎮化建設和公路工程建設的快速發展，對邊坡錨固用材提出了更高的要求。傳統的鋼錨桿等材料在強度、耐腐蝕性能等方面都有弊端，需要進一步提高錨桿的強度、耐磨和耐腐蝕性能等；而碳纖維增強復合材料由于具有一系列性能優勢[2]，有望在邊坡錨固工程中得到應用。熱固化成形方式對碳纖維增強復合材料的最終性能影響較大[3]，這主要是因為熱固化成形的加熱速度、加熱時間等會對復合材料的內部結構和性能產生重要影響，且固化周期也是生產單位較為看重的指標之一[4]。目前，碳纖維增強復合材料多采用電加熱固化工藝制備，如有研究了多次電加熱固化對復合材料力學性能的影響，研究了碳纖維復合材料的注塑成型和電加熱固化工藝優化等；但是都存在固化周期長、固化成型質量差、成品性能較低等問題[5]。而微波間接加熱技術具有加熱速度高、能耗低等一系列優點，在碳纖維增強復合材料的熱固化成形方面的研究較少，與傳統電加熱固化相比有哪些不同也有待研究。在此基礎上，研究了電加熱固化、傳統微波間接加熱固化和優化后微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的熱學和力學性能，結果將有助于邊坡錨固用碳纖維增強復合材料的開發與實際工程應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括單向碳纖維（纖維長度5 mm、質量分數50%、厚度2mm），環氧樹脂為UIN1000型環氧樹脂預浸料。輔助材料包括厚度0.05 mm的隔離膜（熱導率0.4 W/（m·K）、密度2180 kg/m3）、厚度2.54 mm的透氣氈（熱導率0.07 W/（m·K）、密度258 kg/m3）、厚度0.05 mm 的真空袋（熱導率0.08 W/（m·K）、密度314 kg/m3）。

1.2 試件制備

采用人工鋪層的方法制備碳纖維增強復合材料構件，尺寸為200 mm×200 mm，共制備厚度為2.5 mm （薄壁類）和20 mm（大厚度）的碳纖維增強復合材料；碳纖維為單向碳纖維，環氧樹脂為厚度0.1 mm 的 UIN1預浸料，鋪層順序為0°/+45°/90°/-45°/-90°/45°。分別采用電加熱和微波間接熱成型工藝對碳纖維增強復合材料進行熱固化成形，固化成型過程中的加熱速率為2℃/min、溫度為120℃、保溫時間為1.5 h，空冷至室溫。熱固化過程中采用光纖光柵溫度傳感器測試不同厚度方向的溫度。

1.3 測試與表征

采用 NETZSCH 差式掃描量熱儀對碳纖維增強復合材料進行固化度測試[6]，得到差式掃描量熱曲線（DSC 曲線）；根據 ASTM D3039標準對碳纖維增強復合材料進行拉伸強度測試[7]，試件尺寸為250 mm×25 mm×2.5 mm，拉伸速率為2 mm/min；根據ASTM D6641標準對碳纖維增強復合材料進行壓縮強度測試[8]，試件尺寸為140 mm×13 mm×2 mm，壓縮速率為2 mm/min；根據 ASTM D790-17標準對碳纖維增強復合材料進行彎曲強度測試[9]，試件尺寸為100 mm×13 mm×2 mm，彎曲速率為1 mm/min、跨厚比16∶1。

2 試驗結果與分析

2.1? 電加熱固化和微波間接加熱對比（薄壁類）

圖1為碳纖維增強復合材料的固化度測試曲線，分別對電加熱固化和微波間接加熱固化工藝下的碳纖維增強復合材料進行DSC曲線測試。

從圖1（a）的DSC曲線中可知，3組碳纖維增強復合材料在升溫過程中沒有出現放熱峰，這說明此時碳纖維增強復合材料在電加熱固化作用下已經發生完全固化[10]；從圖1（b）的DSC曲線中可知，3組碳纖維增強復合材料在升溫過程中沒有出現放熱峰，這說明此時碳纖維增強復合材料在微波間接加熱固化作用下也已經發生完全固化。

表1列出了碳纖維增強復合材料的熱固化工藝中的能量/時間損耗對比分析結果。在電加熱固化工藝下，碳纖維增強復合材料完全固化所需要的能量為9.17 kW·h，消耗的時間為200 min；在微波間接加熱固化工藝下，碳纖維增強復合材料完全

固化所需要的能量為2.29 kW·h，消耗的時間為120 min。對比分析可知，相較于電加熱固化工藝，微波間接加熱固化在碳纖維增強復合材料完全固化前提下所消耗的能量僅為前者的24.97%；所需要的時間為前者的60%，可見碳纖維增強復合材料完全固化所需的能量和時間都大大縮短。這主要是因為微波間接加熱過程中的升溫速率較快，且微波加熱過程中的輔助材料、腔體等都不會明顯吸收能量的緣故[11-13]。

分別對不同熱固化工藝下碳纖維增強復合材料進行力學性能測試，結果如表2所示。

對于拉伸性能測試結果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的拉伸性能平均值為608.82 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的拉伸性能平均值為636.41 MPa；對于壓縮性能測試結果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的壓縮性能平均值為402.72 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的壓縮性能平均值為422.07 MPa；對于彎曲性能測試結果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的彎曲性能平均值為844.94 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的彎曲性能平均值為760.98 MPa；對于層間剪切性能測試結果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的層間剪切性能平均值為46.82 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的層間剪切性能平均值為50.20 MPa。由此可見，微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和層間剪切性能都高于電加熱固化試樣。

2.2 微波間接加熱工藝優化結果（大厚度）

圖2～圖4為優化前后微波間接加熱碳纖維增強復合材料的固化曲線。

從圖2～圖4對比分析可知，相較于電加熱固化，傳統微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的固化溫度相較較高、固化周期明顯縮短，優化微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的固化溫度相較較小、固化周期明顯縮短。相較于傳統微波間接加熱固化，優化微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的固化溫度和固化周期進一步縮短。

表3為不同熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的層間剪切性能測試結果。

由表3對比分析可知，電加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的層間剪切性能平均值為44.66 MPa，而傳統微波間接加熱固化和優化后微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的層間剪切性能分別為28.15、66.86 MPa。可見，對于大厚度碳纖維增強復合材料，傳統微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的層間剪切性能會有所減小，這主要是由于微波間接加熱過程中的升溫速率較快，會在復合材料內部產生微裂紋而降低層間剪切性能[14]；優化后微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的層間剪切性能平均值相較于電加熱固化提高了49.71%，這主要是因為優化后的微波間接加熱工藝可以有效控制固化反應的放熱，并使得復合材料內部的溫度降低（如圖4，1/2厚度處和1/4厚度處最高溫度分別為142.8℃和138.0℃），不會在內部產生熱損傷等缺陷[15]。

3 結語

3組碳纖維增強復合材料在電加熱固化和微波間接加熱固化過程的升溫過程中沒有出現放熱峰，說明碳纖維增強復合材料在電加熱固化作用下已經發生完全固化。相較于電加熱固化工藝，微波間接加熱固化在碳纖維增強復合材料完全固化前提下所消耗的能量僅為前者的24.97%；所需要的時間為前者的60%，可見碳纖維增強復合材料完全固化所需的能量和時間都大大縮短。微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和層間剪切性能都高于電加熱固化試樣。對于大厚度碳纖維增強復合材料，傳統微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強復合材料的層間剪切性能會有所減小，優化后微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料的層間剪切性能平均值相較于電加熱固化提高了49.71%。推薦采用微波間接加熱固化碳纖維增強復合材料，且優化工藝后可以起得良好的固化效果。

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