一種窯洞建筑碳纖維復(fù)合材料的特性測試及應(yīng)用分析

摘 要：基于窯洞建筑與村落設(shè)施對建筑復(fù)材低密度、高斷裂韌性的需求，對比分析了燒結(jié)SiC、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及Y-ZrO2涂層改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度、表面形貌、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。結(jié)果表明，SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的密度和彎曲強(qiáng)度從大至小的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料。SiC、碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料中的殘留Si含量和斷裂韌性從小至大的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、Y-ZrO2涂層改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較燒結(jié)SiC具有更低的密度和更高的斷裂韌性。從窯洞建筑與村落設(shè)施角度考慮，選擇成本更低而性價(jià)比更高的Cf/SiC復(fù)合材料為宜。

關(guān)鍵詞：窯洞村落設(shè)施；碳纖維；SiC；復(fù)合材料；力學(xué)性能

中圖分類號：TQ050.4+3" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " 文章編號：1001-5922（2024）07-0064-04

Characteristic testing and application analysis of a carbon

fiber composite material for cave dwellings

WANG Juan1， ZHAO Qian2

（1. Yulin Vocational and Technical College，Yulin 719000，Shanxi China；

2. Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：" Based on the demand for low density and high fracture toughness of building composite materials in engineering cost management， the density， surface morphology， bending strength， and fracture toughness of sintered SiC， carbon fiber reinforced composite materials， and Y-ZrO2 coating modified carbon fiber reinforced composite materials were compared and analyzed. The results indicated that the order of density and flexural strength of SiC and its carbon fiber reinforced SiC composites from highest to lowest was： SiCgt;Cf/SiC compositesgt;Cf（Y-ZrO2）/SiC composites. The order of residual Si content and fracture toughness in SiC and its carbon fiber reinforced SiC composites from small to large was： SiClt;Cf/SiC compositeslt;Cf （Y-ZrO2）/SiC composites. Carbon fiber reinforced composite materials and Y-ZrO2 coating modified carbon fiber reinforced composite materials had lower density and higher fracture toughness compared to sintered SiC. From the perspective of cave village facilities， Cf/SiC composite materials with lower cost and higher cost?effectiveness can be selected.

Key words： cave village facilities；carbon fiber；SiC；composite materials； mechanical property

窯洞建筑是黃土高原地區(qū)獨(dú)特而又古老的居住模式，在窯洞村落中引入了現(xiàn)代化的硬件設(shè)施，為了保障窯洞建筑設(shè)施的低成本、高綜合性能，纖維復(fù)合材料在窯洞建筑設(shè)施建設(shè)和改造工程中受到了廣泛青睞［1］。近年來，隨著纖維復(fù)合材料（具有密度低、比強(qiáng)度和比模量高的纖維狀、柔軟、可加工成各種織物的材料）在窯洞建筑村落設(shè)施中的應(yīng)用，無論是建筑施工還是建筑材料，都需要在考慮經(jīng)濟(jì)效益和各方權(quán)益的前提下進(jìn)行全過程、全方位的質(zhì)量控制［2?3］，由此也對窯洞建筑設(shè)施用纖維復(fù)合材料提出了更高的要求，如需要纖維復(fù)材具有較低的密度、良好的斷裂韌性，同時具有成本低的特點(diǎn)［4?5］。基于窯洞村落設(shè)施用對建筑復(fù)材低密度、高斷裂韌性的需求［6?7］，對比分析了燒結(jié)SiC、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及Y-ZrO2涂層改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度、表面形貌、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，有望開發(fā)出低成本、高性能的建筑復(fù)材，并推動其在基于窯洞建筑與村落設(shè)施的建筑工程中應(yīng)用。

1" "實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1" "實(shí)驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括SiC粉末（純度99.48%、規(guī)格240目）、T300型碳纖維（直徑7 [μ]m、密度198 g/m3）、HK-66型酚醛樹脂（固含量70%、游離酚3%、黏度580 cPs/℃）、市售釔穩(wěn)定氧化鋯粉。

1.2" "試樣制備

預(yù)先制備涂層液料：將45 mL 去離子水和45 mL乙醇溶液置于球磨罐中，加入32 g氧化鋯后球磨混合，磨料為Al2O3球、球料比控制為4∶1、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min、球磨時間為180 min，混合均勻后得到涂層液料。采用酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，將碳纖維及改性碳纖維（旋涂法涂覆在碳纖維表面［7］，100 ℃/2 h烘干處理后室溫空冷）與SiC混合后制備漿料，在機(jī)械球磨裝置中采用濕磨方法制備漿料，球料比控制為1∶3，球磨時間為24 h；漿料轉(zhuǎn)入預(yù)熱模具中，在烘箱中進(jìn)行固化處理（88 ℃/5 h+148 ℃/10 h），隨爐冷卻后轉(zhuǎn)入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到燒結(jié)態(tài)SiC、碳纖維增強(qiáng)改性復(fù)合材料（Cf/SiC復(fù)合材料）和涂層碳纖維增強(qiáng)改性復(fù)合材料（Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料）。

1.3" "測試方法

采用阿基米德原因測試SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的密度；室溫彎曲強(qiáng)度測試采用三點(diǎn)彎曲法［8］，試驗(yàn)設(shè)備為Instron 5569型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，結(jié)果為3根試樣平均值；室溫?cái)嗔秧g性測試采用三點(diǎn)彎曲斷裂法進(jìn)行［9］，試驗(yàn)設(shè)備為Instron 5569型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，跨距16 mm，結(jié)果取5根試樣平均值。顯微形貌測試采用日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察。

2" "結(jié)果及討論

2.1" "密度和顯微形貌

圖1為SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的密度。

由圖1可知，燒結(jié)直接得到的SiC的密度相對較大，約為2.96 g/cm3；經(jīng)過碳纖維增強(qiáng)處理后，復(fù)合得到的Cf/SiC復(fù)合材料的密度有所減小，約為2.93 g/cm3；將碳纖維經(jīng)過（Y-ZrO2）涂層改性處理后，再與SiC復(fù)合得到的復(fù)合材料的密度明顯減小，降至2.86 g/cm3。由此可見，SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的密度從大至小的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料。碳纖維的加入對Cf/SiC復(fù)合材料密度的影響較小，而涂層改性處理后碳纖維的加入會降低復(fù)合材料密度，這主要是因?yàn)橥繉犹幚砗筇祭w維與基體的結(jié)合力降低而致使界面處會出現(xiàn)孔洞等缺陷［10］，降低了致密性，密度相應(yīng)會有所減小。

圖2為SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的表面形貌。

由圖2可知，從原始燒結(jié)SiC形貌上看，表面未見明顯腐蝕痕跡；對于碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料，由于經(jīng)過了氫氟酸和硝酸腐蝕，表面可見明顯的腐蝕痕跡；對于涂層改性碳纖維增強(qiáng)SiC，除了點(diǎn)狀腐蝕外，還可以腐蝕剝落或者微裂紋［11］，液相Si可更多的進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部。

2.2" "殘留Si含量

圖3為SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的Si殘留含量測試結(jié)果。

由圖3可知，燒結(jié)直接得到的SiC中的殘留Si含量較低，約為16.25%；經(jīng)過碳纖維增強(qiáng)處理后，復(fù)合得到的Cf/SiC復(fù)合材料中的殘留Si含量有所增加，約為17.41%；將碳纖維經(jīng)過Cf（Y-ZrO2）/SiC涂層改性處理后，再與SiC復(fù)合得到的復(fù)合材料中的殘留Si含量繼續(xù)增加，約為20.11%。由此可見，SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料中的殘留Si含量從小至大的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料，碳纖維的加入對Cf/SiC復(fù)合材料中的殘留Si含量影響較小；而涂層改性處理后碳纖維的加入會增加復(fù)合材料中的殘留Si含量。這主要是因?yàn)橥繉犹幚砗筇祭w維與基體的結(jié)合力降低而致使界面處會出現(xiàn)孔洞等缺陷［12］，降低了致密性，液相Si可更多的進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部而使得殘留Si含量增大。

2.3" "力學(xué)性能和斷口形貌

圖4為SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果。

由圖4可知，燒結(jié)直接得到的SiC的彎曲強(qiáng)度較高，約為361 MPa；經(jīng)過碳纖維增強(qiáng)處理后，復(fù)合得到的Cf/SiC復(fù)合材料中的彎曲強(qiáng)度有所減小，約為217 MPa，降低幅度為39.89%；將碳纖維經(jīng)過Cf（Y-ZrO2）/SiC涂層改性處理后，再與SiC復(fù)合得到的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度進(jìn)一步減小，約為158 MPa。由此可見，SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度從大至小的順序?yàn)镾iC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料，碳纖維加入后Cf/SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度相較燒結(jié)SiC減小，而涂層改性處理后碳纖維的加入會進(jìn)一步降低彎曲強(qiáng)度，這主要是因?yàn)橥繉犹幚砗筇祭w維與基體的結(jié)合力降低而致使界面處會出現(xiàn)孔洞等缺陷［13］，彎曲強(qiáng)度會因此有降低。

圖5為SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的斷裂韌性測試結(jié)果。

由圖5可知，燒結(jié)直接得到的SiC的斷裂韌性約為4.01 MPa·m1/2；經(jīng)過碳纖維增強(qiáng)處理后，復(fù)合得到的Cf/SiC復(fù)合材料中的斷裂韌性有所增加，約為4.18 MPa·m1/2，增加幅度為4.23%；將碳纖維經(jīng)過Cf（Y-ZrO2）/SiC涂層改性處理后，再與SiC復(fù)合得到的復(fù)合材料的斷裂韌性進(jìn)一步增大，約為4.52 MPa·m1/2。由此可見，SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的斷裂韌性從小至大的順序?yàn)镾iC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料，碳纖維加入后Cf/SiC復(fù)合材料的斷裂韌性相較燒結(jié)SiC有所增加，而涂層改性處理后碳纖維的加入會進(jìn)一步提高斷裂韌性，這主要是因?yàn)樘祭w維的加入可以起到增韌作用，且改性后碳纖維的加入會更加有利于韌性提高［14］。

圖6為SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的斷口形貌。

由圖6可知，從燒結(jié)SiC的斷口形貌中可見，斷裂過程中裂紋為直接擴(kuò)展形態(tài)，此時燒結(jié)SiC的斷裂韌性較低；經(jīng)過碳纖維增強(qiáng)處理后，復(fù)合材料中裂紋寬度明顯減小，且在復(fù)合材料中可見纖維拔出形態(tài)，相應(yīng)地?cái)嗔秧g性有所提高，這與圖5的測試結(jié)果相吻合；將碳纖維經(jīng)過（Y-ZrO2）涂層改性處理后，再與SiC復(fù)合得到的復(fù)合材料的裂紋也有所減小，且裂紋更加曲折、發(fā)散，裂紋擴(kuò)展過程中可以吸收更多的能量而表現(xiàn)出相對較好的韌性［15］，這與圖5的測試結(jié)果也相吻合。

2.4" "建筑應(yīng)用性價(jià)比分析

從基于窯洞建筑設(shè)施需求的建筑復(fù)材的應(yīng)用角度看，窯洞建筑設(shè)施要求復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高斷裂韌性等性能指標(biāo)，而對彎曲強(qiáng)度的要求不高［16］，因此，從這個角度來看，低密度、高斷裂韌性的復(fù)合材料可以選擇Cf/SiC復(fù)合材料和Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料，這2種復(fù)合材料都相較燒結(jié)SiC具有更低的密度和更高的斷裂韌性；如果要考慮成本，則可以考慮選擇Cf/SiC復(fù)合材料，這主要是因?yàn)镃f（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料會增加生產(chǎn)成本，且工序相對復(fù)雜。

3" "結(jié)語

（1）SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的密度從大至小的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料。SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料中的殘留Si含量從小至大的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料；

（2）燒結(jié)直接得到的SiC、Cf/SiC復(fù)合材料和Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別為361、217 和158 MPa。SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度從大至小的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、

Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料；

（3）燒結(jié)直接得到的SiC、Cf/SiC復(fù)合材料和Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料的斷裂韌性分別為4.01、4.18和4.52 MPa·m1/2。SiC及其碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的斷裂韌性從小至大的順序依次為SiC、Cf/SiC復(fù)合材料、Cf（Y-ZrO2）/SiC復(fù)合材料。

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