碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究

碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究班級：材料141姓名：劉樹宣專業(yè)：材料科學(xué)與工程指導(dǎo)教師：于景媛碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究緒論實驗內(nèi)容實驗數(shù)據(jù)曲線實驗結(jié)論碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究緒論環(huán)氧樹脂的特性

環(huán)氧樹脂通常是具有兩個及兩個以上環(huán)氧基團，與固化劑反應(yīng)后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性材料。環(huán)氧樹脂固化后不僅熱性能、機械性能和電氣性能優(yōu)異還具有突出的尺寸穩(wěn)定性、耐化學(xué)藥品性、耐濕熱性及耐腐蝕性，已廣泛用于表面涂料、結(jié)構(gòu)膠黏劑、印刷電路板、電子絕緣材料及先進復(fù)合材料等。

碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究本文的研究意義

本文研究在環(huán)氧樹脂的基體中加入碳纖維，利用碳纖維良好的性能來提高環(huán)氧樹脂材料的強度和韌性，本文主要研究碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的固化工藝。觀察碳纖維、改性碳纖維、固化劑含量對碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料壓縮、彎曲的影響。觀察碳纖維/改性碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在高溫時的尺寸穩(wěn)定性。研究碳纖維/改性碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究實驗內(nèi)容

實驗原料

環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂固化劑、偶聯(lián)劑、碳纖維、改性碳纖維

實驗所需設(shè)備

干燥箱、電子天平、環(huán)塊摩擦試驗機、電子萬能試樣機、體式顯微鏡碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究實驗過程

1、環(huán)氧樹脂樣品的制備

（1）用天平和燒杯稱量一定量的環(huán)氧樹脂，用一定量分散劑稀釋備用。

（2）用燒杯稱量所需質(zhì)量的固化劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20wt%、25wt%、30wt%、35wt%），倒入環(huán)氧樹脂燒杯中，均勻攪拌混合樣品，常溫下固化制得環(huán)氧樹脂樣品。2、碳纖維/環(huán)氧樹脂樣品制備：

（1）稱取所需質(zhì)量的碳纖維備用，碳纖維含量分別為5vol%、10vol%、15vol%、20vol%。將碳纖維在丙酮溶液中超聲分散。

（2）稱取一定量的環(huán)氧樹脂，并稱取所需要的固化劑質(zhì)量。

（3）將超聲分散好的碳纖維加入用分散劑稀釋好的環(huán)氧樹脂中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，動作幅度要小，避免能產(chǎn)生氣泡，攪拌均勻后，加入固化劑。倒入模具中常溫固化，便于測試其力學(xué)性能。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究3、加入改性碳纖維的環(huán)氧樹脂樣品的制備：

（1）將碳纖維放置在箱式電阻爐中于在400℃下氧化處理30min，冷卻到室溫后備用。將碳纖維放置在偶聯(lián)劑（即KH550）丙酮溶液中改性處理，偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%、2.0wt%。

（2）用稱重器和燒杯稱量所需要質(zhì)量的分散劑與固化劑。

（3）將一定量的環(huán)氧樹脂與分散劑混合，然后加入超聲分散好的改性碳纖維，最后加入一定量的固化劑常溫等待其固化，將制備好的樣品進行力學(xué)性能測試。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究

固化劑含量對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1

固化劑含量對純環(huán)氧樹脂抗壓強度的影響圖2固化劑含量對純環(huán)氧樹脂抗彎強度的影響實驗數(shù)據(jù)曲線碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究

碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響圖3碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗壓強度的影響圖4碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗彎強度的影響碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究

碳纖維的原始形貌照片

氧化后碳纖維的形貌照片碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究圖5改性碳纖維含量對改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料抗壓強

度的影響

圖6改性碳纖維含量對改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料抗彎強度的影響

改性碳纖維含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究偶聯(lián)劑含量對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響圖7偶聯(lián)劑含量對抗壓強度的影響圖8偶聯(lián)劑含量對抗彎強度的影響碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究彎曲斷口形貌

改性碳纖維/環(huán)氧樹脂彎曲斷口的宏觀形貌碳纖維/環(huán)氧樹脂彎曲斷口的宏觀形貌環(huán)氧樹脂彎曲斷口的宏觀形貌碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究高溫穩(wěn)定性曲線圖9純環(huán)氧樹脂在不同溫度下的變形率圖10碳纖維/環(huán)氧樹脂在不同溫度下的變形率圖11改性碳纖維/環(huán)氧樹脂在不同溫度下的變形率碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究耐磨性能分析圖14改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在10N載荷下不同滑行時間下的變形率圖13

碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在10N載荷下不同滑行時間下的變形率圖12純環(huán)氧樹脂材料在10N載荷下不同滑行時間下的變形率碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究圖17改性碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在20N載荷下不同滑行時間下的磨損量圖16碳纖維/環(huán)氧樹脂材料在20N載荷下不同滑行時間下的磨損量圖15純環(huán)氧樹脂材料在20N載荷下不同滑行時間下的磨損量碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究實驗結(jié)論

以環(huán)氧樹脂、固化劑、碳纖維、改性碳纖維、偶聯(lián)劑為主要原料，采用常溫固化的方法制備了力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在實驗中獲得以下研究結(jié)果：（1）通過低溫氧化對碳纖維表面進行預(yù)處理，可以增加碳纖維表面的粗糙度和比表面積，進而提高碳纖維和環(huán)氧樹脂基體的界面結(jié)合力。（2）隨固化劑、碳纖維、改性碳纖維、偶聯(lián)劑含量的增加，環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的力學(xué)性能均出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，當(dāng)固化劑含量為30wt%時、偶聯(lián)劑含量為1wt%，改性碳纖維含量為15vol%時，改性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗壓強度和抗彎強度分別為118.6MPa和106.8MPa，比純樹脂基體提高74.9%和102.6%。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究（3）純環(huán)氧樹脂材料在120℃發(fā)生變形，在220℃變形量達到0.85%，改性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在160℃未發(fā)生明顯變形，在220℃變形量僅為0.58%，這表明改性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的高溫尺寸穩(wěn)定性好。（4）摩擦磨損實驗表明：隨著摩擦?xí)r間和外加載荷的增加，所有環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的磨損量都增加。在加載為20N，摩擦60min后，純環(huán)氧樹脂的磨損量是10.3mg，碳纖維/環(huán)氧樹脂的磨損量是6.2mg，改性碳纖維/環(huán)氧樹脂的磨損量