高軍，姚晨光，李術(shù)，蔣超杰，李梟

（合肥杰事杰新材料股份有限公司，合肥 230601）

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PP／碳纖維紙夾芯“三明治”復(fù)合材料性能*

高軍，姚晨光，李術(shù)，蔣超杰，李梟

（合肥杰事杰新材料股份有限公司，合肥 230601）

摘要：以碳纖維紙（CFP）作為芯材，聚丙烯（PP）作為皮材，用平板硫化機(jī)熱壓制成PP–CFP–PP“三明治”式復(fù)合材料，并測(cè)試了復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。結(jié)果表明，加入CFP后復(fù)合材料的力學(xué)性能總體上有所改善，針對(duì)不同PP基體、CFP對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的改善方式有所不同，對(duì)基材本身強(qiáng)度／剛度小的復(fù)合材料增強(qiáng)／增剛效果明顯，而對(duì)于基材本身強(qiáng)度／剛度大的復(fù)合材料，加入CFP后其斷裂伸長(zhǎng)率、無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度提高明顯，同時(shí)復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度有所降低。

關(guān)鍵詞：聚丙烯；碳纖維紙；夾芯；復(fù)合材料；力學(xué)性能

聯(lián)系人：高軍，工程師，碩士，主要從事高分子材料開(kāi)發(fā)、應(yīng)用及CAE研究

碳纖維（CF）是一種低密度、高強(qiáng)度、高模量和耐腐蝕性、導(dǎo)電性、傳熱性及阻燃性能良好的材料。近年來(lái)，CF以其優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)以及其它行業(yè)，其作為骨架與高分子材料共混而成的復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)異的性能現(xiàn)已廣泛用于汽車(chē)行業(yè)［1］。

碳纖維紙（CFP）是由碳纖維與其它纖維混合抄造而成，利用碳纖維優(yōu)異的導(dǎo)電功能在導(dǎo)電、防靜電、電磁波屏蔽等領(lǐng)域逐漸發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)［2］，利用其制備性能優(yōu)異的防靜電材料、電磁波屏蔽材料可應(yīng)用于電子通信領(lǐng)域的防電磁輻射和抗電磁干擾等方面［3–5］，利用其優(yōu)異的導(dǎo)電性可應(yīng)用在新能源領(lǐng)域［5–7］。

但目前為止，研究人員還只是把CFP作為一種功能性的材料來(lái)研究，把CFP作為復(fù)合材料載體從而研究其對(duì)材料力學(xué)性能的影響目前還未涉足。筆者通過(guò)把聚丙烯（PP）跟CFP復(fù)合加工成PP／CFP夾芯“三明治”復(fù)合材料（PPCS），研究CFP對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，從而探索其新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

PP：PPK7926，上海賽科石油化工有限責(zé)任公司；

PP粉：075，安徽天大（集團(tuán)）股份有限公司；

增容劑：PP–G，廣州合誠(chéng)化學(xué)有限公司；

CFP：日本東麗公司，0.2 mm厚度，由含量25%的碳纖維［8］與植物纖維（漂白針葉木漿）混合抄造而成。

1.2儀器與設(shè)備

平板硫化機(jī)：0.25MN型，上海齊才液壓機(jī)械有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT4204型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：HIT5.5型，德國(guó)Zwick集團(tuán)；

模具：A型300 mm×300 mm×2 mm、B型：300 mm×300 mm×4 mm，鋼質(zhì)凹形模具，自制。

1.3試樣制備

考慮到PP是典型的非極性聚合物，而CFP主要成分是CF，如將兩者直接共混熔融加工，非極性的PP跟CF之間相容性不好，兩者結(jié)合界面的強(qiáng)度不高，不利于復(fù)合材料性能的提高。筆者選用PP–G是一種典型的用于PP的馬來(lái)酸酐接枝增容劑，可使PP具有較高的極性和反應(yīng)性，能提高PP與其它填料的相容性，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度。

按照表1的配方，將95份PP、5份PP–G通過(guò)高速混合機(jī)混合均勻，將混合物放入A型模具內(nèi)、放置于平板硫化機(jī)上加熱，溫度控制在210℃內(nèi)，時(shí)間控制在3 min內(nèi)，熱熔融壓力在3 MPa之內(nèi)，制成2 mm厚度PP接枝復(fù)合物板。

表1　試驗(yàn)配方 份

*表示加入1張0.2 mm厚度的CFP。

將上述方法制成的一塊2 mm厚PP接枝復(fù)合物板置于B型模具內(nèi)，然后將1張300 mm×300 mm×0.2 mm的CFP平鋪在PP接枝復(fù)合物板上，再把一塊2 mm厚PP接枝復(fù)合物板平鋪于CFP上，最后將模具放置于平板硫化機(jī)上加熱，溫度控制在210℃內(nèi)，時(shí)間控制在3 min內(nèi)，熱熔融壓力在3 MPa之內(nèi)，制成4 mm厚度PPCS，其工藝流程如圖1所示。PPCS的示意圖如圖2所示。

圖1　試樣的工藝流程圖

1.4性能測(cè)試與表征

狀態(tài)調(diào)節(jié)按照ISO 291–2008測(cè)試；

拉伸性能按照ISO 527–2012測(cè)試；

圖2　PPCS示意圖

彎曲性能按照ISO 178–2010測(cè)試；

沖擊性能按照ISO 179–2010測(cè)試；

將制備好的4組試樣按ISO標(biāo)準(zhǔn)尺寸裁成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在ISO 291–2008要求的環(huán)境下?tīng)顟B(tài)調(diào)節(jié)，每組5根試樣，取平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1CFP對(duì)PPK7926力學(xué)性能的影響

表2是以PPK7926為基材的2#試樣與1#試樣的力學(xué)性能對(duì)比。由表2可看出，2#試樣的拉伸強(qiáng)度比1#試樣的提高了26.37%；2#試樣比1#試樣的彎曲強(qiáng)度提高了19.47%；2#試樣的拉伸彈性模量比1#試樣的提高了27.22%，2#試樣的彎曲彈性模量比1#試樣的提高了11.35%。

2#試樣是以PPK7926為基材的PPK7926–PPCS，由于PP以PP–G做為增容劑，因此在PP與CF之間具備了一定界面強(qiáng)度，當(dāng)PPCS受到外部載荷作用時(shí)，PP與CF界面將皮層PP產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞給CF，而CF正是應(yīng)用了其本身高強(qiáng)度、高模量承受應(yīng)力載荷的特點(diǎn)，使PP不能承載的負(fù)荷／能量分擔(dān)到支撐的CF上［9–11］，同時(shí)，CFP中CF的網(wǎng)狀交織狀態(tài)使得CF上的應(yīng)力被迅速擴(kuò)散出去，所以其PP／CF復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量提高。

表2　PPK7926，PPK7926–PPCS力學(xué)性能對(duì)比

由表2看出，2#試樣的斷裂伸長(zhǎng)率變化不大，2#試樣的缺口沖擊強(qiáng)度比1#試樣的下降了25.14%，無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度提高了8.57%。

PPK7926–PPCS的斷裂伸長(zhǎng)率與PPK7926相比變化不大，這說(shuō)明整個(gè)復(fù)合材料的柔韌性并沒(méi)有得到較大改善。復(fù)合材料受到外部載荷后產(chǎn)生響應(yīng)，聚合物的分子鏈構(gòu)象發(fā)生變化，如果分子鏈本身具備很好的柔性，那么材料宏觀上就表現(xiàn)出較大的變形和延伸能力，即斷裂伸長(zhǎng)率較大。PPK7926的自身斷裂伸長(zhǎng)率并不大，通過(guò)與CFP復(fù)合，由于存在不同相、以及相與相之間的結(jié)合界面，并且CFP只是居于整個(gè)復(fù)合材料的中間位置，并沒(méi)有均勻地分散到整個(gè)復(fù)合材料的內(nèi)部，所以對(duì)復(fù)合材料整體柔韌性影響并不大。

PPK7926–PPCS復(fù)合材料較PPK7926的缺口沖擊強(qiáng)度下降較多，這說(shuō)明作為夾芯材料的CFP的平面抗張能力較弱，這一點(diǎn)也跟CFP的本身力學(xué)性能相符［3，12］。試樣缺口的CFP暴露于外，受到外部載荷沖擊［13］，由于CFP中CF跟CF之間沒(méi)有較強(qiáng)的相互作用力、更多是依靠纖維之間有效分散后交織在一起［3–4，8，12，14–16］，所以很容易被撕裂，導(dǎo)致復(fù)合材料從CFP區(qū)域更容易出現(xiàn)破壞，從而降低了PP7926–PPCS的缺口沖擊強(qiáng)度。

能量是作用力與距離的乘積，作為夾芯材料的CFP中纖維是呈網(wǎng)狀交織在一起，當(dāng)PPK7926–PPCS的無(wú)缺口試樣在受沖擊后變形，網(wǎng)狀的CF會(huì)被拉伸、變形，斷裂時(shí)斷面向外延伸的形變?cè)龃?，消耗的斷裂能量多，反映出?fù)合材料的韌性提高，最終PPK7926–PPCS復(fù)合材料的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度提高。

由以上看出，以PPK7926為基材的PPK7926–PPCS復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度都得到較大的提高，而延伸性變化幅度不大，缺口沖擊強(qiáng)度降低很多。

2.2CFP對(duì)PP粉075力學(xué)性能的影響

表3示出以PP粉075為基材的3#試樣與4#試樣力學(xué)性能的對(duì)比。由表3看出，4#試樣的斷裂伸長(zhǎng)率比3#試樣的提高達(dá)33.85%；4#試樣的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度比3#試樣的提高了16.02%。

以PP粉075為基材的4#試樣的斷裂伸長(zhǎng)率大幅度提高，從宏觀角度看，當(dāng)PP粉075–PPCS試樣受到外部載荷作用發(fā)生變形時(shí)，作為夾芯材料的CFP有擴(kuò)張、延伸、撕裂的行為，這些都都有助于復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率的提高。從分子層面理解，材料受到外部載荷后產(chǎn)生響應(yīng)，聚合物的分子鏈構(gòu)象發(fā)生變化需要一個(gè)時(shí)間歷程，分子鏈本身具備較好的柔性，會(huì)有充足的時(shí)間發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)PP–G接枝的PP跟CF有較好的兩相界面結(jié)合能提高復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率，而且PP粉075本身的斷裂伸長(zhǎng)率高于PPK7926，在受到外部載荷作用后能夠比PPK7926有更多的時(shí)間發(fā)生分子鏈構(gòu)象變化，最終使得4#試樣的斷裂伸長(zhǎng)率有較大提高。

4#試樣的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度較3#試樣的提高16.02%。這是因?yàn)镻PCS中CF在材料受到?jīng)_擊行為后被拉伸、變形，緩沖了外部載荷對(duì)復(fù)合材料的沖擊，且基材PP粉075–PPCS其本身基材強(qiáng)度／剛度較高，即沖擊行為中作用力較大，試樣被破壞消耗更多的能量，所以反映出無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度提高得比以PPK7926為基材的PPK7926–PPCS提高得更多。

表3　PP粉075，PP粉075–PPCS力學(xué)性能的對(duì)比

由表3看出，4#試樣的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量變化不大，其中4#試樣的拉伸彈性模量較3#試樣的提高11.29%。

由以上看出，對(duì)基材本身強(qiáng)度／剛度較小的2#試樣，CFP在復(fù)合材料中的CF承擔(dān)更多的力學(xué)載荷，作用更顯著，從而使PPK7926–PPCS復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量有較顯著的提高。相對(duì)于對(duì)基材本身強(qiáng)度／剛度較大的4#試樣即PP粉075–PPCS復(fù)合材料，盡管也提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，但是由于PP 粉075自身也有較大強(qiáng)度，所以分擔(dān)給CF的載荷并不多，故整體復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量提高幅度較小。

PP粉075為基材的4#試樣的缺口沖擊強(qiáng)度變化與以PPK7926為基材的2#試樣一樣，都是比基材降低，這說(shuō)明PPCS對(duì)缺口的確較為敏感，不同之處是降低幅度沒(méi)有2#試樣大。分析其原因是經(jīng)過(guò)PP–G接枝的PP粉075跟CF有較好的界面粘合能力，PP粉075沖擊行為中作用力較大，盡管也容易從CFP區(qū)域出現(xiàn)破壞，但是與PPK7926相比需要被破壞時(shí)消耗更多的能量，所以才導(dǎo)致缺口沖擊強(qiáng)度比2#試樣的下降幅度少一些。

3　結(jié)論

無(wú)論是PPK7926、還是PP粉075為基材的PPCS復(fù)合材料的力學(xué)性能均有變化，總體趨勢(shì)是有所改善。

（1）對(duì)基材本身強(qiáng)度／剛度小的PPK7926比PP粉075，其PPCS的增強(qiáng)／增剛效果明顯；

（2）對(duì)基材本身強(qiáng)度／剛度大的PP粉075比PPK7926，其PPCS的斷裂伸長(zhǎng)率、無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度提高明顯；

（3） 加入PPCS后復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度有所降低，其中以PP粉075為基材的降低幅度小于以PPK7926為基材的。

參 考 文 獻(xiàn)

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Properties of PP／Carbon Fiber Paper Sandwich Composites

Gao Jun， Yao Chenguang， Li Shu， Jiang Chaojie， Li Xiao
（Hefei Genius Advanced Material Co. Ltd.， Hefei 230601， China）

Abstract：Applying plate vulcanization machine，PP／carbon fiber paper sandwich composites were prepared through hot pressing，the core material was made of carbon fiber paper，and PP was used to be as wall material. The mechanical properties of the composites were tested. The results show that the mechanical properties are improved in different manner because of different PP matrix. The strength／stiffness of composites which are made of low strength／stiffness matrix is improved obviously. The elongation at break and unnotched charpy impact of composites which are made of high strength／stiffness matrix are improved obviously， but the charpy notched impact strength of composites is reduced.

Keywords：polypropylene； carbon fiber paper； sandwich；composite； mechanical property

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539（2016）05-0023-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.006

收稿日期：2016-02-17

*國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2013BAE02B00）