碳纤维环氧树脂复合材料的制备及性能研究

碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能 研究班级：材料141姓名：刘树宣专业：材料科学与工程指导教师：于景媛 绪论实验内容实验数据曲线实验结论 绪 论环氧树脂的特性 环氧树脂通常是具有两个及两个以上环氧基团，与固化剂反应后形成三维网状结构的热固性材料。环氧树脂固化后不仅热性能、机械性能和电气性能优异还具有突出的尺寸稳定性、耐化学药品性、耐湿热性及耐腐蚀性，已广泛用于表面涂料、结构胶黏剂、印刷电路板、电子绝缘材料及先进复合材料等。 本 文 的 研 究 意 义 本文研究在环氧树脂的基体中加入碳纤维，利用碳纤维良好的性能来提高环氧树脂材料的强度和韧性，本文主要研究碳纤维/环氧树脂基复合材料的固化工艺。观察碳纤维、改性碳纤维、固化剂含量对碳纤维环氧树脂基复合材料压缩、弯曲的影响。观察碳纤维/改性碳纤维/环氧树脂基复合材料在高温时的尺寸稳定性。研究碳纤维/改性碳纤维/环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能。 实 验 内 容 实 验 原 料 环氧树脂、环氧树脂固化剂、偶联剂、碳纤维、改性碳纤维 实 验 所 需 设 备 干燥箱、电子天平、环块摩擦试验机、电子万能试样机、体式显微镜 实 验 过 程 1、环氧树脂样品的制备 （1）用天平和烧杯称量一定量的环氧树脂，用一定量分散剂稀释备用。 （2）用烧杯称量所需质量的固化剂（质量分数分别为20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%），倒入环氧树脂烧杯中，均匀搅拌混合样品，常温下固化制得环氧树脂样品。 2、碳纤维/环氧树脂样品制备： （1）称取所需质量的碳纤维备用，碳纤维含量分别为5 vol%、10 vol%、15 vol%、20 vol%。将碳纤维在丙酮溶液中超声分散。 （2）称取一定量的环氧树脂，并称取所需要的固化剂质量。 （3）将超声分散好的碳纤维加入用分散剂稀释好的环氧树脂中，用玻璃棒充分搅拌，动作 幅度要小，避免能产生气泡，搅拌均匀后，加入固化剂。倒入模具中常温固化，便于测试其力学性能。 3、加入改性碳纤维的环氧树脂样品的制备： （1）将碳纤维放置在箱式电阻炉中于在400 下氧化处理30 min，冷却到室温后备用。将碳纤维放置在偶联剂（即KH550）丙酮溶液中改性处理，偶联剂的质量分数分别为0.5 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%。 （2）用称重器和烧杯称量所需要质量的分散剂与固化剂。 （3）将一定量的环氧树脂与分散剂混合，然后加入超声分散好的改性碳纤维，最后加入一定量的固化剂常温等待其固化，将制备好的样品进行力学性能测试。 固化剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响 图 1 固 化 剂 含 量 对 纯 环 氧 树 脂 抗 压 强 度 的 影 响 图 2 固 化 剂 含 量 对 纯 环 氧 树 脂 抗 弯 强 度 的 影 响实 验 数 据 曲 线 碳 纤 维 含 量 对 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 复 合 材 料 力 学 性 能 的 影 响 图 3 碳 纤 维 含 量 对 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 复 合 材 料 抗压 强 度 的 影 响 图 4 碳 纤 维 含 量 对 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 复 合 材 料 抗 弯 强度 的 影 响 碳 纤 维 的 原 始 形 貌 照 片 氧 化 后 碳 纤 维 的 形 貌 照 片 图 5 改 性 碳 纤 维 含 量 对 改 性 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 材 料 抗压 强 度 的 影 响 图 6 改 性 碳 纤 维 含 量 对 改 性 碳 纤 维 /环 氧 树 脂材 料 抗 弯 强 度 的 影 响 改 性 碳 纤 维 含 量 对 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 复 合 材 料 力 学 性 能 的影 响 偶 联 剂 含 量 对 环 氧 树 脂 复 合 材 料 力 学 性 能 的 影 响 图 7 偶 联 剂 含 量 对 抗 压 强 度 的 影 响 图 8 偶 联 剂 含 量 对 抗 弯 强 度 的 影 响 弯 曲 断 口 形 貌 改 性 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 弯 曲 断口 的 宏 观 形 貌碳 纤 维 /环 氧 树 脂 弯 曲 断 口 的 宏 观 形貌环 氧 树 脂 弯 曲 断 口 的 宏 观 形 貌 高 温 稳 定 性 曲 线图 9 纯 环 氧 树 脂 在 不 同 温 度 下 的 变 形 率 图 10 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 在 不 同 温 度 下的 变 形 率 图 11 改 性 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 在不 同 温 度 下 的 变 形 率 耐 磨 性 能 分 析 图 14 改 性 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 材 料 在 10 N载 荷 下 不 同 滑 行 时 间 下 的 变 形 率图 13 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 材 料 在 10 N载 荷 下 不 同 滑 行 时 间 下 的 变 形率图 12 纯 环 氧 树 脂 材 料 在 10 N载荷 下 不 同 滑 行 时 间 下 的 变 形 率 图 17 改 性 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 材 料 在 20 N载 荷 下 不 同 滑 行 时 间 下 的 磨 损 量图 16 碳 纤 维 /环 氧 树 脂 材 料 在 20 N载 荷 下 不 同 滑 行 时 间 下 的 磨 损 量图 15 纯 环 氧 树 脂 材 料 在 20 N载 荷 下不 同 滑 行 时 间 下 的 磨 损 量 实 验 结 论 以环氧树脂、固化剂、碳纤维、改性碳纤维、偶联剂为主要原料，采用常温固化的方法制备了力学性能优良的碳纤维/环氧树脂复合材料。在实验中获得以下研究结果：（1）通过低温氧化对碳纤维表面进行预处理，可以增加碳纤维表面的粗糙度和比表面积，进而提高碳纤维和环氧树脂基体的界面结合力。（2）随固化剂、碳纤维、改性碳纤维、偶联剂含量的增加，环氧树脂及其复合材料的力学性能均出现先增加后降低的现象，当固化剂含量为30 wt%时、偶联剂含量为1 wt%，改性碳纤维含量为15 vol%时，改性碳纤维/环氧树脂复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为118.6 MPa和106.8 MPa，比纯树脂基体提高74.9%和102.6%。 （3）纯环氧树脂材料在120发生变形，在220变形量达到0.85%，改性碳纤维/环氧树脂复合材料在160未发生明显变形，在220变形量仅为0.58%，这表明改性碳纤维/环氧树脂复合材料的高温尺寸稳定性好。（4）摩擦磨损实验表明：随着摩擦时间和外加载荷的增加，所有环氧树脂及其复合材料的磨损量都增加。在加载为20 N，摩擦60 min后，纯环氧树脂的磨损量是10.3 mg，碳纤维/环氧树脂的磨损量是6.2 mg，改性碳纤维/环氧树脂的磨损量是2.7 mg。这表明在相同载荷下，改性碳纤维/环氧树脂复合材料具有最小的质量损失，其耐磨性最好。 致 谢感 谢 各 位 老 师 在 百 忙 之 中 抽 出 时 间 对 我 的 毕 业 设 计 进 行 答 辩 ， 您 们辛 苦 了 ！