注射成型短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

徐先鋒，胡艷艷，敖學(xué)東

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013）

注射成型短碳纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

徐先鋒，胡艷艷，敖學(xué)東

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013）

研究了碳纖維含量對注射成型高密度聚乙烯／短碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彈性模量和硬度的影響。結(jié)果表明，隨著短碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的硬度、彈性模量和拉伸強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)短碳纖維含量小于3.3%時，復(fù)合材料的硬度、彈性模量和拉伸強(qiáng)度成線性增加趨勢；當(dāng)短碳纖維含量大于3.3%時，復(fù)合材料的硬度、彈性模量和拉伸強(qiáng)度的上升趨勢增大。

碳纖維；聚乙烯；復(fù)合材料；增強(qiáng)；注射成型

0 前言

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過一定工藝手段復(fù)合而成的，各組分在性能上起協(xié)同作用，可以發(fā)揮各自材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，得到單一材料無法獲得的綜合性能［1］。在樹脂基復(fù)合材料中，樹脂基的主要功能是在纖維之間通過剪切的方式傳遞載荷，并使得材料中的應(yīng)力重新分布。近年來，隨著成型工藝的不斷成熟，熱塑性復(fù)合材料已成為復(fù)合材料領(lǐng)域中最引人注目的研究熱點(diǎn)。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有多次加工性及良好的耐沖擊性能，越來越受到人們的重視［2］。

碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射和良好的生物相容性等，此外，還具有纖維特有的柔曲性和可編性，它的比強(qiáng)度和比模量均優(yōu)于其他無機(jī)纖維。聚乙烯具有優(yōu)良的耐寒性、耐水性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能，加工性好，價格低廉，因此得到廣泛的應(yīng)用，但是其耐熱性、強(qiáng)度和剛度差，容易發(fā)生環(huán)境應(yīng)力開裂，故需要碳纖維來增強(qiáng)［3］。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、密度低、比模量高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等一系列特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展［4］。本文選用短碳纖維作為高密度聚乙烯（PE－HD）的增強(qiáng)材料，研究了短碳纖維含量對注射成型制品力學(xué)性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

碳纖維，T700，日本東麗公司，其性能指標(biāo)如表1所示；

PE－HD，1600J，湖南石油化學(xué)公司，長期使用溫度最高可達(dá)100℃，熔體流動速率為18g／10min，密度為0.958g／cm3，其主要性能指標(biāo)如表2所示［3］。

表1 碳纖維的主要性能指標(biāo)Tab.1 Properties parameters of carbon fiber

表2 PE－HD的主要性能指標(biāo)Tab.2 Properties parameters of PE－HD

1.2 主要設(shè)備及儀器

注塑機(jī)，XS－ZY500，上海塑機(jī)廠；

自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計，XHV－1000Z，上海尚材試驗機(jī)有限公司；

精密萬能試驗機(jī)，AG－250KN2SMD，日本島津公司。

1.3 樣品制備

將碳纖維與PE－HD按比例均勻混合后注射成型，并將注射成型制品加工成拉伸試樣和硬度測試試樣，料筒溫度為160～220℃，模具溫度為80～90℃，注射壓力為70～100MPa。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用顯微鏡硬度儀測試復(fù)合材料的硬度，施加載荷為1.96N，試樣為10mm×10mm的小方塊，每個試樣測試6～8個點(diǎn)，取平均值；

采用精密萬能試驗機(jī)測試復(fù)合材料的拉伸性能，拉伸速率為5mm／s，試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 The sample size for tensile testing

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維含量對復(fù)合材料硬度的影響

從圖2可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的硬度上升；當(dāng)碳纖維含量小于3.3%時，硬度和碳纖維含量基本成線性關(guān)系；當(dāng)碳纖維含量超過3.3%時，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，隨著碳纖維含量的增加硬度迅速上升。碳纖維是脆性材料，強(qiáng)度和比模量高，能提高復(fù)合材料的硬度［5］。碳纖維在PE－HD中是隨機(jī)分布的，彼此之間互相搭接，在樹脂基體中形成骨架，隨著碳纖維含量的增加，搭接點(diǎn)數(shù)量增加，使得碳纖維的骨架作用增強(qiáng)，其周圍的高分子鏈的移動受到阻礙，抵抗外物侵入的能力得到提高［6］。復(fù)合材料的強(qiáng)度是由碳纖維的強(qiáng)度、碳纖維跟樹脂基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度以及樹脂基體的剪切強(qiáng)度決定的。碳纖維作為增強(qiáng)材料，分布形式是網(wǎng)絡(luò)狀的，是復(fù)合材料中主要的承載物質(zhì)，其高比強(qiáng)度和高彈性模量的特性大大降低了樹脂基體的塑性變形，增強(qiáng)了復(fù)合材料的硬度。當(dāng)碳纖維含量小于3.3%時，其在樹脂基體中較分散，樹脂基體是載荷的主要承擔(dān)者，其硬度和碳纖維含量基本成線性關(guān)系；當(dāng)碳纖維含量大于3.3%時，碳纖維成為載荷的主要承擔(dān)者，硬度大幅度上升。而且碳纖維和樹脂通過注射成型后復(fù)合效果很好，硬度得到了很大的提高。但當(dāng)碳纖維含量過高時，其在樹脂基體中可能出現(xiàn)纖維間的堆積，出現(xiàn)局部缺陷，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。

圖2 碳纖維含量對復(fù)合材料硬度的影響Fig.2 Effect of content of carbon fiber on hardness of the composites

2.2 碳纖維含量對復(fù)合材料彈性模量的影響

從圖3可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的彈性模量上升；當(dāng)碳纖維含量小于3.3%時，彈性模量和碳纖維的含量基本成線性關(guān)系；當(dāng)碳纖維含量超過3.3%時，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，隨著碳纖維含量的增加，彈性模量迅速上升。

彈性模量是描述材料在線度方向受力后，抵抗形變能力的重要物理量，代表使原子離開平衡位置的難易程度，其表征材料本身的性質(zhì)，是表示晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量，是組織結(jié)構(gòu)不敏感的參數(shù)，僅與材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)工藝等相關(guān)，與材料的幾何形狀和所受到外力的大小無關(guān)。碳纖維的彈性模量為228GPa，而PE－HD的彈性模量僅為1.5GPa，注塑機(jī)螺桿的攪動使碳纖維與PE－HD得到了很好的混合，從而導(dǎo)致隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的彈性模量也逐漸增加。當(dāng)碳纖維含量小于3.3%時，雖然復(fù)合材料的彈性模量有所增加，但增加幅度并不大，這主要是因為當(dāng)碳纖維含量較少時，其承擔(dān)的應(yīng)力也相對較少，并且由于碳纖維的加入切斷了原來連續(xù)的基體，在樹脂中形成了一定的缺陷，不利于彈性模量的增加。當(dāng)碳纖維含量大于3.3%時，彈性模量增加顯著，出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因在于碳纖維含量為3.3%達(dá)到了一個臨界值，同時注塑機(jī)的加熱處理使得碳纖維與樹脂之間發(fā)生了化學(xué)作用，而這一臨界值的碳纖維使得反應(yīng)變得充分，碳纖維均勻分布于樹脂基體中，較好地承擔(dān)了載荷，從而大大提高了復(fù)合材料的彈性模量。當(dāng)然也有可能是碳纖維誘導(dǎo)PE－HD結(jié)晶，這種結(jié)晶效應(yīng)增強(qiáng)了界面黏結(jié)性，從而提高了復(fù)合材料的彈性模量。

圖3 碳纖維含量對復(fù)合材料彈性模量的影響Fig.3 Effect of content of carbon fiber on elastic modulus of the composites

2.3 碳纖維含量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均比純PE－HD高，且隨碳纖維含量的增加而增大；在碳纖維含量小于3.3%時，拉伸強(qiáng)度隨含量增加呈線性增長趨勢；當(dāng)碳纖維含量超過3.3%時，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，隨著碳纖維含量的增加拉伸強(qiáng)度迅速增大。碳纖維是載荷的主要承載體，其含量的變化對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有決定性影響，樹脂基體可通過界面將應(yīng)力傳遞給碳纖維；當(dāng)碳纖維含量較少時，其承受的應(yīng)力也相對較少，此時樹脂基體傳遞應(yīng)力的同時自身也承受著一定的應(yīng)力，因此復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度上升較慢；隨著碳纖維含量的增加，其承受了主要應(yīng)力，樹脂基體主要起傳遞應(yīng)力的作用，因此復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度顯著提高；當(dāng)碳纖維的含量達(dá)到3.3%時，在樹脂中的分布變得均勻，充分彌補(bǔ)了樹脂內(nèi)部的一些缺陷，致使表面的裂紋尖端等突出部位被較好的充填，裂紋尖端曲率半徑變大，突出部位變得平緩，一些缺陷處的應(yīng)力集中得到一定程度的緩解，這就需要更大的應(yīng)力才能使裂紋得到擴(kuò)展，所以復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度得到提高。同時，碳纖維和樹脂通過注塑機(jī)的高溫加熱，可能發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變，而碳纖維含量達(dá)到3.3%時，反應(yīng)最充分，進(jìn)而拉伸強(qiáng)度得到了很大的提高。

圖4 碳纖維含量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of content of carbon fiber on tensile strength of the composites

3 結(jié)論

（1）短碳纖維可以提高PE－HD的硬度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量；

（2）隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量也隨著增大；

（3）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的注射成型工藝具有制備時間短、操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，為一種具有成本優(yōu)勢的制備方法。

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Study on Mechanical Properties of Injection Molded Short Carbon Fiber Reinforced Polyethylene Composites

XU Xianfeng，HU Yanyan，AO Xuedong

（School of Mechanical ＆Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Samples of polyethylene／short carbon fiber composites were prepared via injection molding.The tensile strength，hardness，and elastic modulus of the composites were studied.It showed that with increasing content of carbon fiber，the tensile strength，hardness，and elastic modulus of the composites increased.When carbon fiber content was lower than 3.3%，these properties increased linearly；when carbon fiber content was higher than 3.3%，these properties increased significantly.

carbon fiber；polyethylene；composite；reinforcement；injection molding

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2012）02－0033－04

2011－09－27

聯(lián)系人，yanyanhu＿cool＠163.com

（本文編輯：李瑩）