基体树脂中填料SiO2的加入对碳纤维复合材料性能的影响
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作者:孔俊嘉 明皓 吴尚锋
摘 要：将环氧树脂作为基体树脂，加入一定量经过硅烷偶联剂偶联的二氧化硅，搅拌均匀后，与经过表面处理的碳纤维用手糊成型的工艺制备成复合材料。结果表明，当SiO2的加入量为9份时，复合材料的综合力学性能最佳，拉伸强度和冲击强度分别提高了6.1%和16%。通过扫描电镜观察，SiO2可均匀分布在基体树脂中，并没有影响碳纤维与基体树脂的粘结性，而且提高了整个体系的力学性能。
关键词：二氧化硅 碳纤维 环氧树脂 复合材料
碳纤维增强复合材料（CFRP）是近代崛起的一类非常引人注目的新型材料，它可以兼顾纤维和基体的性能而成为综合性能更加优异的工程结构材料和具有特殊性能的工程材料[1-2]。碳纤维增强树脂基复合材料由于其比重小、力学及化学性能高，首先被广泛应用于航天航空领域，包括人造卫星和高性能飞机的齿轮、轴承等机械材料以及机翼、机身等轻质材料[3]。用碳纤维和环氧树脂基体复合而成的树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料[4]。环氧树脂具有优良的化学稳定性、粘合性、力学性能、低收缩性、易加工和低成本等优点，应用范围非常广泛[5-6]。纳米二氧化硅主要呈现三维的结构模式，分子结构中有大量的不饱和残键和不同键合状态的羟基，这种结构模式可以大大提高材料的硬度和强度，并且尺寸小能够存于高分子键的空隙中，可以增强复合材料的强度、韧性和延展性[7-9]。本文在改性环氧树脂中，加入一定量的纳米二氧化硅，其涂覆的复合材料的拉伸强度和弯曲强度均有所提高，并且冲击强度提高的幅度更大，说明填料SiO2的加入有效地改善了环氧树脂的韧性和综合力学性能[10]。
1 实验部分
1.1 主要原料
纳米二氧化硅（SiO2）;双马来酰亚胺;二氨基二苯基甲烷;环氧树脂E51;碳纤维。
1.2 主要仪器设备
电子拉力试验机：RGD-5，深圳市瑞格尔仪器有限公司;数字冲击试验机：GT-7045-MD，高铁科技股份有限公司;综合热分析仪，STA449C，德国耐驰;高低真空扫描电子显微镜：Hitachi-800，日本日立公司。
1.3 实验工艺方法
将环氧树脂加入到烧杯中，在90℃恒温加热磁力搅拌锅中预热5min后，加入一定量经过硅烷偶联剂偶联的二氧化硅，待搅拌均匀后，加入双马来酰亚胺，恒温搅拌15min，降温至70℃，再加入已经熔融的二氨基二苯基甲烷，使溶液搅拌均匀。与经过表面处理的碳纤维用手糊成型的工艺制备成复合材料，做成标准样条。
2 结果与讨论
2.1 对拉伸强度和弯曲强度的影响
由图1可以看出，CFRP的拉伸强度呈现出先增加后减小的趋势，当SiO2用量为9份时，拉伸强度达到411.2MPa，比初始状态提高了6.1%，由于经过偶联剂偶联的SiO2与基体树脂发生了化学键的结合，增强了界面的粘结，使SiO2能够承担一定的载荷，提高了材料的拉伸强度。当SiO2含量过多时，容易在树脂发生团聚，影响整个体系的性能。
当CFRP受到弯曲应力时，材料的下表面承受的是拉应力，而材料的上表面承受的是压应力，材料的中部受剪切应力的作用。可见，材料在受到弯曲应力时，其受力状态比较复杂。从图1可以看出，基体树脂中加入SiO2的弯曲强度与纯基体树脂涂覆的CFRP相比变化不大。
2.2 对冲击强度的影响
由图2可知，当SiO2在基体树脂中用量为9份时，CFRP的冲击强度最大为98.4kJ/m2，比初始状态提高了约16%，继续增加SiO2含量时，体系的冲击强度则出现下降的趋势。这说明SiO2能够在基体树脂中分散均匀，能使基体树脂的韧性有所提高。當体系受到冲击的时候，均匀地分散在基体中的SiO2与基体之间的银纹吸收冲击能，阻止银纹的扩散，同时因为应力场的相互作用，在基体内产生很多的微变形区，吸收一部分的能量。而当SiO2含量过大，粒子之间过于接近，材料受应力时产生的微裂纹和塑性变形太大，有可能发展成宏观应力开裂，从而使材料性能下降。
2.3 复合材料热重分析
由图3可知，基体树脂中加入9份SiO2后，CFRP的热稳定性有所下降，从初始的357.5℃下降到354.3℃，因为SiO2不溶于基体树脂，SiO2的加入使基体树脂粘度增加，链段间的反应速率降低，阻碍了体系中各链段间的反应，从而导致体系的热分解温度降低。
2.4 复合材料断面形貌分析
图4为基体树脂中加入9份SiO2的碳纤维复合材料断口形貌。由图可知，SiO2均匀的分布在基体树脂中，大部分碳纤维周围都包裹着基体树脂，说明SiO2的加入并没有影响碳纤维与基体树脂的粘结性，断口表面虽有少量裂纹，但SiO2的存在阻止了基体树脂的继续开裂，使裂纹发生在可控范围内并吸收能量，SEM图直观的证明了基体中加入合适量的填料对整个体系的力学性能都有所提高。
3 结语
（1）在碳纤维复合材料中，SiO2的加入量为9份时，CFRP的综合力学性能最佳，拉伸强度和冲击强度分别提高了6.1%和16%。
（2）通过扫描电镜观察，基体树脂内加入9份SiO2后，SiO2均匀分布在基体树脂中，并没有影响碳纤维与基体树脂的粘结性，而且提高了整个体系的力学性能。
参考文献
[1] 许兆辉，朱建锋，丁勇，等.碳纤维复合材料力阻效应研究综述[J].玻璃钢/复合材料，2015（7）：86-90.
[2] 耿正，孔谅，王敏，等.碳纤维增强复合材料（CFRP）与铝合金的搅拌摩擦点焊[J].电焊机，2017（2）：18-26.
[3] 郑国栋，张清杰，邓火英，等.不同官能化碳纳米管对MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学[J].复合材料学报，2015（3）：640-648.
[4] 唐见茂.碳纤维树脂基复合材料发展现状及前景展望[J].航天器环境工程，2010（3）：269-280.
[5] 刘广程，林岚辉，刘宇哲，等.环氧树脂改性方法的研究现状及进展[J].科技风，2019（20）：275.
[6] 蔡小霞，韩涛，李聪，等.环氧树脂增韧改性研究进展[J].科技风，2019（20）：275.
[7] 柯昌银.纳米二氧化硅环氧树脂复合材料研究进展[J].齐鲁工业大学学报，2019（3）：29-34.
[8] 朱德智.增强增韧的环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的制备与研究[J].塑料工业，2017（6）：66-69.
[9] 高朋召，林明清，林海军，等.纳米二氧化硅改性环氧树脂复合材料的性能研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2015（6）：1-6.
[10]王春齐，江大志，肖加余.纳米SiO2改性环氧树脂及其复合材料性能研究[J].功能材料，2012（22）：3048-3053.
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