粉末废料/树脂基多轴向经编复合材料力学性能研究

聂小林，马丕波

(江南大学教育部针织工程技术研究中心，江苏无锡 214000)



粉末废料/树脂基多轴向经编复合材料力学性能研究

聂小林，马丕波

(江南大学教育部针织工程技术研究中心，江苏无锡 214000)

研究在制备玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料时，通过加入了碳纤维环氧树脂复合材料的粉末废料，目的是提高新复合材料的力学性能。对新制备的复合材料的拉伸性能和弯曲性能进行了测试分析。结果表明，在一定的比例范围内加入粉体的废物可以提高新复合材料的力学性能。

力学性能 粉末废料 树脂基多轴向经编复合材料 回收 玻璃纤维

由于具有低密度，高模量，易成型和韧性好等特点, 碳纤维增强复合材料(CFRP)已经广泛应用于许多领域[1]。使用CFRP制作汽车的外壳可以减轻车身重量[2]，这可以减少燃油使用量；复合材料这种新型的材料已经逐渐主导材料,复合材料的使用和发展极大地促进了航天工业的发展进步[3]，它不仅可以有很轻的重量，其优良的机械性能也可以更好的适应太空的恶劣环境，在日常生活中CFRP也有应用于人体医用领域，人体假肢[4]也有取材于CFRP。但是CFRP的快速发展和大量使用会产生许多工业废料，回收和再利用这些废料可以减轻环境分解废料的压力，利用废料粉末重新加入树脂混合的办法还可以再次实现其使用价值[5]。回收废旧复合材料的方法主要有填埋法，物理法，热解法和溶剂法[6]。填埋法对环境污染比较严重而且分解时间缓慢；热解法能耗高不易控制；溶剂法对实验材料性能要求比较严苛；而物理法主要是将废料碾磨成粉末，具有工艺简单，无污染物的优点。在此之前，有碳纳米管加入树脂制备复合材料的方法[7],这为复合材料粉末加入树脂提供了参考依据。还有将二氧化硅纳米颗粒掺入到环氧树脂中的研究，研究结果发现二氧化硅纳米颗粒对碳纤维增强环氧树脂基复合材料纤维-基体界面结合强度没有负面影响[8-10]。本文涉及的实验运用物理碾磨的方法，将复合材料废料碾磨成粉末，加入到酚醛树脂当中，用多轴向经编玻璃纤维织物作为增强体制备含CFRP粉末的复合材料，对该系列复合材料进行机械性能测试，通过对比实验数据，以期达到机械性能提升的目的。

1 样品和制备工艺

1.1 材料准备

粉末废料是从碳纤维增强酚醛树脂基复合材料的研磨过程中收集的，在制备新的复合材料时，废料粉末将会加入到酚醛树脂中。研磨在一个封闭的罩子下进行，这样的好处是会避免粉末飞散到空气中和粉末被污染。粉末被收集之后需进行粒径表征，表征结果如表1所示。

表1 粉末颗粒直径

复合材料的增强体用的是多轴向玻璃纤维经编织物，如图1示。

图1 多轴向玻璃纤维经编织物

该增强体织物是以玻璃纤维为主要原料，主体是有四层玻璃纤维叠放而成，然后再由涤纶复丝采用经编工艺捆绑制备而成。从图1中可以看出的是第一层玻璃纤维垂直铺置(0°)，第二层玻璃纤维呈45°铺置，第三层玻璃纤维呈135°铺置(-45°)，最底层玻璃纤维与第一层玻璃纤维垂直铺置，呈90°交叉。多轴向铺置保证了织物各个方向的稳定性。捆绑纱线选用的是涤纶复丝，这样织物可以更加稳定而不易变形，从而使最终的复合材料性能更加优良。捆绑纱线涤纶是以经编工艺捆绑编织，使各层玻璃纤维稳固叠放。

树脂选用的是亚什兰194型号的酚醛树脂，在制备复合材料的过程中，粉末将会以不同的比重(1%, 3% ，5%)添加到树脂中，粉末和树脂的搅拌混合要持续24小时，以免混合不均匀。

1.2 制备过程

首先将CFRP粉末按不同的比重加入到酚醛树脂中，然后采用真空数值导入工艺，将增强玻璃纤维织物和酚醛树脂进行复合，过程中会加入固化剂，固定装置，24小时后待其固化成形，然后脱模取样。取样后制备成测试所需的规格。

1.3 样品的规格

样品一共有24块，按照所添加粉末的比重不同分为四类，四类样品粉末所占比重分别为0%，1%，3%，5%，每一类样品在拉伸和弯曲性能的测试过程中测试三组。

图2 拉伸样品、弯曲样品的尺寸

图2为样品的尺寸，长度为100mm，宽度为15mm，厚度2mm。该样品为弯曲性能测试用。为了使样品在拉伸测试过程中应力集中，做拉伸性能测试的样品在中部被切割，切割后样品中部的宽度为10mm。切割后样品为拉伸性能测试用。

2 测试设备和测试原理

拉伸、弯曲测试采用的硬件设备是带有载荷传感器的英斯特朗万能力学试验仪(如图3所示)(Instron Universal Machine)，配备Bluehill软件。

图3 英斯特朗万能力学实验仪

为了比较不同样品的力学性能，在准静态的条件下，进行拉伸和弯曲测试。拉伸和弯曲测试的载荷施加速度均为2 mm/min。

(a)

(b)

弯曲测试准备如图4(a)所示，测试是在带有传感器的测试夹具上进行。弯曲测试的是三点弯曲，下端两点之间的距离是7cm，两点固定且起到约束的作用，载荷施加点在每一块样品的点，测试开始之前，加压杆轻放在样品上，样品不发生形变，传感器感应的载荷为零。

拉伸测试准备如图4(b)所示，样品未被夹持部分(露出部位)为7cm，上下端夹具同时起到固定样品和施加载荷的作用，样品夹持准备时同样要保证样品不能发生形变。

测试过程中，Bluehill软件会根据试样的尺寸、载荷施加速度以及载荷计算并绘制出应力应变曲线。

3 结果与讨论

3.1 拉伸性能与讨论

拉伸性能的测试结果见图5，样品的最大弹性模量值见表2。

表2 样品杨氏弹性模量(拉伸)

图5 准静态拉伸应力应变曲线

从表2中数据可以得出结论： 粉末含量为1%的样品，其杨氏弹性模量要比不加粉末的样品高出4.38%，但是随着粉末含量的继续增加，样品的弹性模量会越来越低，粉末含量为3%和5%的样品，其弹性模量相比不加粉末的样品分别降低14.80%和15.63%，随着粉末添加比例的增加，样品的杨氏弹性模量显示有少许提高，达到某一峰值之后其杨氏弹性模量开始逐渐下降。从图5中可以得出结论： 加入粉末的样品，其断裂伸长率要低于不加粉末的样品，也就是说明，纯的样品加入了粉末之后，其性能变脆。

拉伸试验开始进行时，样品形变不明显，伴有轻微的断裂的声音，随着拉伸的进行，样品承载的载荷渐渐增大，当样品承载的载荷达到最大值时，此时样品断裂，载荷承载能力急剧下降。

3.2 弯曲性能与讨论

弯曲性能的测试结果见图6，样品的最大弹性模量值见表3。

表3 样品杨氏弹性模量(弯曲)

图6 准静态弯曲应力应变曲线

从表3中数据可以得出结论： 粉末含量为1%的样品，其杨氏弹性模量要比不加粉末的样品高出15.53%，粉末含量为3%和5%的样品，其弹性增加比例分别为7.18%和1.04%，随着粉末比重的增加，样品的弯曲弹性模量逐渐下降，但在粉末含量5%的范围内，其样品的弯曲弹性模量都要高于不加粉末的样品。从图6中曲线可以看出，各类样品达到弯曲应力的峰值时，其弯曲应变基本相同，且粉末比重为5%的样品与不加粉末的样品曲线大致相同，这说明粉末比重为5%的样品与不加粉末的样品其弯曲性能相近，且弹性模量增加比例在1%左右，变化不大，也说明粉末在5%的比重范围内，样品的弯曲性能都有提高。

弯曲试验开始进行时，样品渐渐弯曲，但形变效果不明显，并伴有层间断裂的声音。样品承载的载荷随着形变的增大而增大，当载荷达到样品所能承载的最大值时，样品完全断裂，载荷承载能力平缓下降。

4 结论

(1)通过实验结论可以得出，在制备新的复合材料过程中加入复合材料粉末废料可以提高材料的拉伸和弯曲性能，但是粉末废料的添加比例必须在一个固定的范围内。

(2)在准静态拉伸和弯曲两种作用下，该材料所承载的载荷都随着形变量的增加而增大，渐渐达到最大值，当达到峰值之后，材料破坏。不同的是，对于拉伸性能测试，载荷经过峰值之后，材料的载荷承受能力急剧下降，而对于弯曲性能测试却是相对平缓下降。

(3)实现了废旧复合材料的回收以及利用废旧复合材料来提高新复合材料的机械性能，这也对环保有帮助。

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2016-09-17

中国博士后面上项目基金(2016M591767)，中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP51625B)。

聂小林(1994-)，男，硕士研究生，研究方向：产业用针织结构设计与性能。

马丕波(1984-)，男，博士，副教授，硕士生导师。

TS102

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1008-5580(2016)04-0024-04