膠層厚度影響碳纖維布增強聚丙烯力學性能研究

黃彩飛，陳國平，王禹

(西南科技大學，四川綿陽 621000)

碳纖維布具有強度高、密度小、厚度薄，且在加固構件時基本不增加結構構件的自重及截面尺寸等特點。被廣泛應用在工程加固中，以達到增強基底材料的力學性能的目的。將碳纖維布應用于塑料板材中，意在制備出一種輕質高效的新型板材。目前筆者所在課題組已經完成了粗糙度對碳纖維布增強聚丙烯力學性能的影響的相關的試驗，并得出了一些有價值的結論?，F(xiàn)在對膠層厚度這一影響因素進行試驗研究，了解膠層厚度對碳纖維布效能發(fā)揮的影響，為板材制作提供指導。同時結合粗糙度的研究結果，合理的優(yōu)化二者的物性關系從而進一步提高碳纖維布增強聚丙烯的力學性能。目前，研究表明，膠層厚度是影響碳纖維布發(fā)揮其效能的一個重要因素[1–4]，且不同厚度的膠層對不同的基底材料有著不同的影響[5–11]，為了更好了解膠層厚度對碳纖維布增強聚丙烯力學性能的影響[12–14]，筆者分別制作了0.5，1，1.5，2 mm 四種不同厚度的模具，用于涂刷出不同厚度的膠層，同時對試件進行相同方式的打磨并采用粗糙度儀進行檢測，制備出粗糙度相接近的試件，并在試件上粘貼相同大小、相同數(shù)量的碳纖維布，進行拉伸試驗。

1 試驗材料

試驗采用由日本辰日株式會社提供的碳纖維布和配套樹脂和上海昇輝橡膠制品公司提供的聚丙烯板材進行試件的制作，材料性能見表1。

表1 材料性能

2 試件制作

拉伸試件的尺寸參照GB／T 1447–2005 《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行制作，具體尺寸如圖1 所示。

圖1 試件示意圖

試件制作過程主要分為以下三個步驟：步驟一利用打磨機分別對試件進行30 s 的打磨，分A、B、C 三組，每組四個不同膠層厚度，共打磨12 個試件。并且利用粗糙度儀進行取點檢測，其檢測結果見表2，以平均值視為試件表明粗糙度的參考值。

表2 試件粗糙度檢測

步驟二按照主劑與硬化劑2 ∶1 的比例拌合好的樹脂且靜置2 h 后待樹脂的流動性較弱時，用于膠層的填涂。步驟三利用制作的模具對試件進行膠層的填涂，且在相同位置上粘貼相同尺寸、相同數(shù)量的碳纖維布，靜置10 h 后將其模具脫離。具體操作步驟見圖2。將粘貼好的試件靜止16 h(由于氣溫的原因)以上待樹脂完全硬化，得到4 種不同膠層厚度的試件。圖3 為不同厚度的模具、不同膠層厚度的試件，圖4 為粗糙度儀。

圖2 試件的制作與膠層控制過程

圖3 不同厚度的模具及不同膠層厚度的試件

圖4 粗糙度儀

3 試驗方法

將制作好的試件依據(jù)GB／T3354–2014，在微機控制電液伺服萬能試驗機上分別進行拉伸試驗，如圖5 所示，拉伸速率為1 mm／min，直到樹脂與板材間完全脫膠后停止試驗并記錄實驗力–位移數(shù)據(jù)。同時為了考慮材料自身的差異對試驗的影響，在試驗前對未粘貼碳纖維布的試件進行了拉伸試驗，3 個空白試件的試驗力–位移曲線擬合性較高。

圖5 濟南聯(lián)工萬能試驗與控制系統(tǒng)與試件

4 結果分析

試驗共拉伸15 個試件，同時設置了對照組和實驗組，得出了三組試驗結果。圖6～圖8 分別為A組、B 組、C 組的荷載–位移圖。其中A 組中的1A試件由于試驗機夾具問題，導致的試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，在結果分析時不予討論，最終得到14 個有效試驗數(shù)據(jù)。其中K1，K2，K3 為試驗的空白對照試件，其上未粘貼碳纖維布。其他的試件粘貼了碳纖維布稱為復合試件。根據(jù)復合試件在試驗過程中的變化，人為將復合試件的拉伸試驗共分為三個時期，分別是初期、中期和后期。加載初期：碳纖維布、膠層、聚丙烯試件共同受力，當載荷增加接近膠層剝離荷載時，碳纖維布從聚丙烯試件的端部開始剝離。加載中期：碳纖維布與膠層開始在試件的兩端部出現(xiàn)上翹的現(xiàn)象，之后破壞繼續(xù)向中間擴展。加載后期：碳纖維布大部分從試件上剝離直到全部脫落。

圖6 A 組荷載–位移

圖7 B 組荷載–位移

圖8 C 組荷載–位移

當復合試件在進行拉伸試驗時，其荷載–位移曲線不會出現(xiàn)像碳纖維布增強鋼材那種突然的轉折點，其線型為較為平滑的曲線，其拉伸曲線的最大特點就是曲線斜率的變化，但其變化的范圍不大，這表明環(huán)氧樹脂對聚丙烯的粘接強度遠小于對鋼材的粘接強度。同時根據(jù)加載曲線的斜率變化可知，當復合試件開始受力加載時，碳纖維布、膠層、聚丙烯共同抵抗外荷載，隨著荷載的不斷增加，膠層與聚丙烯的粘接處逐漸出現(xiàn)剝離，直到碳纖維布與膠層全部脫落，其整體過程時間較短但可以觀察到其斜率出現(xiàn)先增大后減小的變化，同時過程中也未出現(xiàn)膠層與聚丙烯剝離的撕裂聲，這導致試驗中的膠層與聚丙烯剝離的時間點難以判斷。則前期試驗曲線斜率的變化是論證碳纖維布增強效果的重要依據(jù)。圖9～圖11 分別為A 組、B 組、C 組的初期斜率。

圖9 A 組初期斜率

圖10 B 組初期斜率

圖11 C 組初期斜率

根據(jù)圖6～圖8 三組試驗的荷載–位移曲線可知，當荷載在0～0.4 kN 的范圍內時，在相同的試驗力下隨著膠層厚度的增加，其試件的變形量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且增長幅度逐漸減小，表明復合試件的抗拉剛度隨膠層厚度的增加，出現(xiàn)先增大然后減小的趨勢。三組試驗曲線中的0.5 mm 與1 mm 的曲線線形均高于1.5 mm 與2 mm 的曲線線形，則表明0.5 mm 與1 mm 的厚度的增強效果明顯優(yōu)于1.5 mm 與2 mm 厚度的試件。

根據(jù)圖9、圖10、圖11 試驗前期的斜率–膠層厚度的折線圖可知，空白試件與不同的膠層厚度的復合試件在試驗的前期，其曲線斜率有著明顯的差異，隨著膠層厚度的增加，曲線斜率呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中0.5 mm 與1 mm 的斜率最大，1.5 mm與2 mm 的斜率較小但大于空白試件，表明0.5 mm與1 mm 的厚度試件的增強效果要遠高于1.5 mm與2 mm 的試件，膠層為0.5 mm 與1 mm 的試件比空白試件在荷載–位移的斜率上分別最少提高了23%與34.8%，而膠層為1.5 mm 與2 mm 的試件比空白試件在荷載–位移的斜率上分別最多提高了20.8%與16.7%。當復合試件拉伸試驗結束后發(fā)現(xiàn)三組試驗中的0.5 mm 試件的膠層均有斷裂現(xiàn)象的產生，而三組試驗中的1，1.5，2 mm 試件的膠層均無斷裂的現(xiàn)象。這表明0.5 mm 的膠層在碳纖維布增強聚丙烯拉伸試驗的過程中強度不夠。綜上所述，膠層厚度對碳纖維布效能發(fā)揮著一定的影響，其中0.5 mm 與1 mm 厚度的增強效果明顯優(yōu)于1.5 mm 與2 mm。

通過上述分析與試驗的對比，為了有效提高碳纖維布的利用率、提升碳纖維布增強聚丙烯的力學性能，在實際膠層涂刷的過程中膠層厚度的控制應當大于0.5 mm。圖12 為試件的破壞形態(tài)。

圖12 試件的破壞形態(tài)

5 結論

通過對復合試件與空白試件的拉伸試驗，分析得到以下結論：

(1) 根據(jù)相關實驗數(shù)據(jù)及0.5 mm 試件的破壞現(xiàn)象可知，使用碳纖維布增強聚丙烯時涂刷膠層的厚度“T”的范圍應當控制在0.5 mm ≤T ≤1mm。

(2) 根據(jù)對不同膠層厚度試驗線形分析及曲線斜率變化的趨勢可知，碳纖維布增強聚丙烯的抗拉性能隨著膠層厚度的增加而減小。

(3) 由試驗的斜率的變化幅度可知，膠層厚度的變化對提高碳纖維布效能的發(fā)揮有著一定的影響但其影響程度不大。

(4) 試件的成功制作，膠層厚度均勻且相同膠層厚度的試驗數(shù)據(jù)相近，表明利用模具的方式制作不同厚度的膠層是可行的。

(5) 根據(jù)對試驗現(xiàn)象及試驗曲線的分析可知，環(huán)氧樹脂與聚丙烯的粘接強度低于與鋼材的粘接強度。