碳纤维长度及其分布对复合材料力学.pdf

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1、黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报第14卷 第4期1997年12月JOURNAL OF NATURAL SCIENCEOF HEILONG J IANG UNIVERSITYVol.14No.4December,1997碳纤维长度及其分布对复合材料力学性能的影响赵东宇(黑龙江大学化学系,哈尔滨150080)李滨耀 余赋生(中国科学院长春应用化学研究所,长春130022)丁彦滨(哈尔滨化工学校,150080)黑龙江省教委基金资助项目。收稿日期:1997-03-01摘 要 本文利用英国Instron材料试验机,测定了短碳纤维增强聚芳醚酮复合材料(SCF/PEK-C)的弯曲强度及复合材料中的

2、碳纤维的临界长度(1c),利用西德的偏光显微镜测定了复合材料中的纤维长度分布,讨论了复合材料中纤维的平均长度及分布对材料力学性能的影响,结果表明:复合材料中小于1c的纤维越多,材料力学性能下降得越多。关键词 聚芳醚酮 复合材料 纤维临界长度短纤维复合材料与长纤维复合材料相比,由于具有易于加工成型、生产周期短、易于与树脂材料粘结及各向同性等优点,使其应用领域日益扩大1。而复合材料中的纤维长短及长度分布直接影响着复合材料的力学性能2,本文选用中科院长春应化所的专利产品聚芳醚酮(PEK-C)3与短碳纤维(SCF)复合,通过控制混合过程,使其内部纤维长度及分布不同,进而利用材料试验机和偏光显微镜,测定

3、此复合材料中的碳纤维的临界长度及长度分布,并讨论了复合材料中纤维的平均长度及分布对材料力学性能的影响。此项研究,国内外尚未见报道。结果表明:选择适宜的混合方法,可提高复合材料中的纤维平均长度,增加复合材料中大于1c的纤维含量,提高复合材料的力学性能,并分析了复合材料力学性能随其内部纤维平均长度下降而降低的原因。1 实验部分1.1 复合材料的制备1.1.1 短碳纤维复合材料的制备实验时首先分别用丁酮、二氯甲烷将切短后的吉林炭素厂生产碳纤维进行连续抽提洗涤各3小时,以除去其表面环氧浆料。然后在室温下,将干燥后的SCF与徐州造漆厂生产的聚芳醚酮PEK-C树脂按比例依次置于密炼机中混合,控制转速为20

4、r/min、40r/min,混合时间为3分钟,用自制平板硫化机在300 下热压成型。碳纤维最终含量为30wt.%,材料的尺寸为64602mm3。1.1.2 碳纤维单向排列长纤维复合材料的制备用CHCl3配制PEK-C胶液,浸渍碳纤维,经缠绕制成无纬布,切割后交错叠置,300 下热压制得不同长度碳纤维单向排列的复合材料。1.2 材料性能测试1.2.1 弯曲强度的测试:在压头半径为2mm、跨距为21.5mm、压速为10mm/min的测试条件下,用英国Instron1121型材料试验机测定短碳纤维复合材料的弯曲强度。1.2.2 拉伸强度的测试:以10mm/min的拉伸速度,用英国Instron 11

5、21型材料试验机测定纤维单向排列复合材料的拉伸强度。1.2.3 短碳纤维复合材料中碳纤维长度及其分布的测定:取不同混合速度的SCF/PEK-C试样各少许,在室温下用N、N-二甲基甲酰胺反复溶解,直至溶液中不再有PEK-C树脂,用滤纸过滤后干燥,再切取1x1(cm2)滤纸,将此滤纸上纤维分散于载玻片上,用西德OPTON R.POL通用(偏光)显微镜(镜头放大倍数为10)对载玻片上不同位置的纤维进行随机观察、拍照。将照片放大后,准确量出各个纤维长度,计算出总数分别为500、1000、1500、2000根时的纤维长度分布及平均长度(表1、表2)。表2 不同长度纤维及其复合材料性能比较混合转速(r/m

6、in)平均长度(mm)大于1c纤维的含量(%)弯曲强度(MPa)200.28380.7111.2400.23859.492.32 结果与讨论2.1 短碳纤维长度对复合材料性能的影响纤维增强聚合物基复合材料中,纤维的增强作用是通过当材料受力时基体把应力传递给纤维,使材料应力得以分散而实现的。短纤维增强复合材料的增强效果与纤维的长度有密切关系。因为纤维在不同体系中所能承受的最大应力与长度有关,在某体系中,纤维达到最大强度所需的最小长度,称为该体系的纤维的临界长度(1c)2。58第4期赵东宇等:碳纤维长度及其分布对复合材料力学性能的影响用实验1.2.2测定纤维单向排列复合材料的拉伸强度,用公式(1)

7、计算短碳纤维在SCF/PEK-C中的1c2:c=f(1-1c/21)Vf+m(1-Vf)(1)式中:c、f、m分别代表复合材料、纤维和基体,、V、1分别代表拉伸强度、纤维体积分数、纤维长度。其中:1分别为10mm、20mm,Vf为0.45,f为2.4x103MPa(厂家给出),m=78MPa(实验测得),经计算1c为0.183mm。图1 纤维所能承受的最大应力与其长度的关系纤维临界长度是短纤维复合材料体系的一个重要参数,直接影响着材料的力学性能,有时载荷传递长度和纤维临界长度又称为无效长度,这是因为超过这个长度,纤维承受的应力不再增加,不同长度下纤维所承受的最大应力见图14,由图1可知,在靠近

8、纤维端部一个小的范围内应力小于最大纤维应力,这将影响复合材料的强度。然而,当纤维长度大于载荷传递应力时,材料特性与连续纤维增强复合材料特性类似。2.2 纤维长度分布对短纤维复合材料连续性能的影响图2 不同转速下复合材料中纤维长度分布图近年来,随着短纤维增强材料的发展,人们在理论上正试图建立一个由纤维长度分布来描述复合材料力学性能的模型57。但是人们首先必须测准纤维长度分布,国外目前所用的方法是,用一个自动显微放大计算机系统对分散的纤维来进行分析数据和曲线绘制。给出纤维长度分布和平均长度,但这种方法对没有完全分开的纤维无法测量。本实验用偏光显微镜照像法测得混合转速为20r/min试样的纤维长布(

9、见表1),借助计算机计算,当测量总数为500、1000、500、2000根时,纤维的总平均长度和在各测量区间上(如小于0.138,0.138-0.276,0.276-0.414)的百分含量及其及平均长度。当测量总数改变时,纤维在各长度区间的百分含量和平均长度相近(例如在小于0.138长度区间上,对于测量总数为500,1000,1500、2000根时,百分含量分别为21.8%,19.7%,19.1%,19.1%,平均长度分别为0.09,0.09,0.09,0.0968黑龙江大学自然科学学报第14卷(mm)因此,当测量总数大于500根时,纤维长度分布相同;从纤维总的平均长度来看,测量总数为500,

10、1000,1500,2000根时分别为0.258mm,0.283mm,0.285mm,0.286mm,因此测量1000根即能接近准确的平均值。实验结果说明,此方法虽繁琐,但实用,随机选出1500根样品进行测量,就可得到准确长度分布和平均值。图2是不同混合转速下,复合材料中纤维的长度分布图(测量总数为1500根)。在低混合转速下,纤维平均长度为0.283mm,大于1c的纤维含量较高,为80.7%;在高混合转速下,纤维长度变短,而且大于1c的纤维含量较低,为59.4%。同时,由表2看出,大于1c的纤维含量越大,其复合材料力学性能越大。这是因为,小于1c的纤维所能承受的应力较小,当材料受到作用时,材

11、料在此处先行破坏,导致整个材料发生破坏,材料力学性能较低。参 考 文 献1包筱海。中国塑料,1988;2(2):712 M.J.Folkes.short Fiber Reinforced Thermoplastics,John Wiley&Sons ltd,England,1982:353张海春,陈天禄。CN85108751,19854 Broutman.L.J.Polym.Eng.Sci.,1974;14(8):5815 D.Mcnally et al.Polym.Eng.Sci.,1978;18(5):3966 W.chin et al.Polym.Compos.,1988;9(1):27

12、7 M.Narkis and H.Chen.Polys.Compos.,1988;9(4):245The effect of Average Length and Length Distribution of CarbonFibers on Mechanics Performance of Short Carbon Fiber ReinforcedPoly(phenylene ether ketone)(SCF/PEK-C)CompositesZhao DongyuDepartment of Chemistry,HeilongjiangUniv.,Hatbin 1500809.Li Binya

13、oYu FushengChangchun Institude of Applied Chemistry,Academia Sinica,Changchun 130022m m3Ding YanbinHarbin Chemical TechnologySchool,150080esAbstractThe average length and length distribution of carbon fibers in the composites,andflex strength of composites were determined by aid of polarizing misros

14、cope and material tester.The critical length of carbon fibers in the composites was measured.The result shows that,the critical length of carbon fibers in the composites was 0.183mm.The more was the carbon fibers which length were shorter than 1c,the more descend was mechan2ics performance of the composites.Key words:Poly(phenylene ether ketone),Composite;The critical length of carbon fibers78第4期赵东宇等:碳纤维长度及其分布对复合材料力学性能的影响