陳嘉煒 張宏偉 高曉平
摘 要:為研究雙軸向碳?;祀s復(fù)合材料壓縮性能,采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米氧化石墨烯(GO)改性碳玻混雜纖維復(fù)合材料試樣,分析不同GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳?;祀s復(fù)合材料壓縮性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)GO改性后復(fù)合材料試樣沿0°和90°方向壓縮強(qiáng)度分別提高了12.24%和19.64%。以試樣壓縮性能為目標(biāo)值,通過非線性擬合并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,表明最優(yōu)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%。試樣微觀斷裂形貌圖表明,經(jīng)GO改性后復(fù)合材料纖維/基體界面結(jié)合面積與強(qiáng)度得到提高,可有效抑制纖維分層及界面脫黏,可見GO改性可以明顯提高碳?;祀s纖維復(fù)合材料壓縮性能。研究結(jié)果可為深入分析GO機(jī)理,提高混雜纖維復(fù)合材料力學(xué)性能提供一定的參考。
關(guān)鍵詞:氧化石墨烯改性;碳玻混雜纖維;復(fù)合材料;壓縮強(qiáng)度;壓縮模量;非線性擬合
中圖分類號(hào):TB332
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1009-265X(2022)02-0075-10
收稿日期:20210420 網(wǎng)絡(luò)出版日期:20210803
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目(51765051)
作者簡(jiǎn)介:陳嘉煒(1999-),男,江西吉安人,碩士研究生,主要從事紡織復(fù)合材料力學(xué)性能方面研究。
通信作者:高曉平,E-mail:gaoxp@imut.edu.cn
Compressive properties of graphene oxide modified carbon/glasshybrid fiber reinforced composite
CHEN Jiawei, ZHANG Hongwei, GAO Xiaoping
(College of Textile and Light Industry, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080, China)
Abstract: To investigate the compressive properties of biaxial carbon/glass hybrid fiber composite, graphene oxide (GO)modified carbon/glass hybrid fiber reinforced composite samples with different mass fractions were prepared using vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM), and the impact of different GO mass fraction on the compressive properties of carbon/glass hybrid fiber composite was analyzed. The results showed that the compressive strength of the GO modified composite samples along the 0° and 90° directions was improved by 12.24% and 19.64%, respectively. As far as the compressive properties of the specimen are concerned the result was nonlinear fitted and verified by experiment, through nonlinear fitting and experimental verification, it was found that the optimal GO mass fraction is 0.21%. The microscopic sample fracture topography indicated that the interfacial bonding area and strength between fiber and matrix of GO modified composite were are improved, and fiber delamination and interfacial debonding were effectively inhibited. It revealed that through GO modification, the compressive properties of carbon/glass hybrid fiber composite can be significantly improved. The research results can provide a certain reference for in-depth analysis of GO mechanism and the improvement of the mechanical properties of hybrid fiber composites.
Key words: graphene oxide modification; carbon/glass hybrid fiber; composite; compressive strength; modulus of compression; nonlinear fitting
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(GFRP)應(yīng)用范圍廣泛,CFRP質(zhì)輕高強(qiáng)但制造成本昂貴,GFRP剛度低制造成本相對(duì)低廉[1]。為了充分發(fā)揮兩種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn),開發(fā)了碳玻纖維混雜復(fù)合材料[2]。相比單一CFRP與GFRP,碳?;祀s復(fù)合材料力學(xué)性能得到了極大提升[3],因而碳?;祀s纖維復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用方面具有更加廣闊的前景。
碳?;祀s纖維復(fù)合材料應(yīng)用中存在各組分纖維在受到外力時(shí)極易出現(xiàn)分層現(xiàn)象[4],Sailesh等[5]基于三維有限元微觀力學(xué)模型,研究碳/玻混雜纖維復(fù)合材料中纖維分布對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響。該研究認(rèn)為隨著碳纖維含量的增加,復(fù)合材料壓縮性能下降;主要原因是玻璃纖維為無(wú)機(jī)纖維,環(huán)氧樹脂為有機(jī)物,纖維與樹脂之間界面結(jié)合力低導(dǎo)致材料壓縮性能下降。由于纖維和樹脂界面結(jié)合力低導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能無(wú)法滿足使用要求,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究通過界面改性提高纖維/基體界面強(qiáng)度。Andrea等[6]基于單纖維微觀黏合方法表征纖維/基體界面納米改性機(jī)理,結(jié)果顯示加入納米粒子可以在纖維/基體界面形成結(jié)合層,提高纖維/基體黏合力。Wang等[7]、Jiang等[8]和Withers等[9]應(yīng)用納米黏土改性環(huán)氧樹脂基體增加復(fù)合材料的纖維/界面力。
氧化石墨烯(GO)是一種準(zhǔn)二維片層納米材料,在黏性大的環(huán)氧樹脂等聚合物中相容性差導(dǎo)致其改性效果不佳,南欣欣等[10]研究發(fā)現(xiàn)GO易分散在極性溶劑中,可通過含氧官能團(tuán)修飾或改性,提高與聚合物之間的相容性,改善改性效果。因此該方式常用于基體改性,改性后的復(fù)合材料性能提升明顯[11-14]。吳明宇等[15]應(yīng)用GO改性環(huán)氧樹脂,SEM圖表明GO改性明顯提高纖維與樹脂結(jié)合緊密程度,當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí),試樣抗拉強(qiáng)度提高了56.89%,斷裂伸長(zhǎng)率提高了58.92%。Li等[16]應(yīng)用原子力顯微鏡測(cè)試發(fā)現(xiàn),當(dāng)GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),碳纖維/GO的表面粗糙度達(dá)到117.6 nm,改善了纖維與樹脂基體的結(jié)合能力。紅外分光光度分析法測(cè)定發(fā)現(xiàn),GO表面包含大量的含氧官能團(tuán),可在纖維增強(qiáng)體與基體之間建立穩(wěn)定的連接。壓縮性能測(cè)試中氧化石墨烯加入具有明顯的界面增強(qiáng)效應(yīng),可抑制纖維/基體界面分層[17]。因此GO改性可以顯著增強(qiáng)纖維/基體界面性能。
本文分別以雙軸向玻璃纖維織物、碳纖維織物為表層和芯層,以納米氧化石墨烯(GO)改性環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體,采用VARTM(Vacuum assisted resin transfer molding)工藝制備氧化石墨烯改性碳/?;祀s纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣。實(shí)驗(yàn)研究混雜復(fù)合材料壓縮性能,分析石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料壓縮性能的影響,通過微觀形貌圖分析試樣改性機(jī)理。最后,以壓縮性能為目標(biāo)值,通過非線性擬合優(yōu)化得到最優(yōu)GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)。研究結(jié)果對(duì)碳/?;祀s纖維復(fù)合材料納米氧化石墨烯界面改性機(jī)理分析、混雜纖維復(fù)合材料性能研究等具有一定的指導(dǎo)意義。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
雙軸向(0°/90°)碳纖維布(天津爍邦科技有限公司)與玻璃纖維布(山東泰山玻纖股份有限公司)實(shí)物與結(jié)構(gòu)分別如圖1與圖2所示,織物結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。氧化石墨烯(GO)粉末(天津爍邦科技有限公司),NO.1-692-2A環(huán)氧樹脂和NO.1-692-2B固化劑(深圳市郎博萬(wàn)先進(jìn)材料有限公司)性能參數(shù)見表2。
1.2 復(fù)合材料試樣制備
雙軸向纖維布裁剪尺寸為30 cm×30 cm,以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GO改性環(huán)氧樹脂后,將環(huán)氧樹脂與固化劑以質(zhì)量比為100∶30混合攪拌均勻并靜置一段時(shí)間去除氣泡,采用VARTM工藝制備復(fù)合材料試樣,其工藝流程如圖3所示。
1.3 材料性能表征
1.3.1 GO形貌
應(yīng)用日本電子株式會(huì)社JEM 20010型透射電鏡表征GO形貌特征。
1.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)
應(yīng)用Nexus 870型傅里葉紅外光譜儀(FTIR)測(cè)試GO及經(jīng)由GO改性前后樹脂基體官能團(tuán)情況。
1.3.3 GO晶粒尺寸
通過日本Rigaku公司的Rigaku DMAX 2500型x射線粉末衍射儀,在Cu-Ka-1.5416埃輻射下對(duì)GO粉末進(jìn)行了x射線衍射(XRD)分析用于表征GO晶面間距以及GO晶粒垂直于晶面方向的平均厚度。
1.3.4 熱穩(wěn)定性
利用德國(guó)LINSEIS公司STA PT1600同步熱分析儀測(cè)試經(jīng)不同GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。
1.3.5 相容性與分散性
實(shí)驗(yàn)中以乙醇為有機(jī)溶劑溶解環(huán)氧樹脂,提高GO在環(huán)氧樹脂中的溶解度,之后利用乙醇低沸點(diǎn)特性將其去除并靜置觀察36 h,分析GO與環(huán)氧樹脂相容性。應(yīng)用FEI QUANTA 650 FEG型掃描電子顯微鏡拍攝環(huán)氧樹脂GO改性前后微觀結(jié)構(gòu),分析GO在基體內(nèi)分散性。
1.3.6 壓縮性能
根據(jù)ISO 14126-1999《Fibre-reinforced plastic composites determination of compressive properties in the in-plane direction》標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試復(fù)合材料壓縮性能。復(fù)合材料試樣尺寸為110 mm×10 mm×2 mm,加強(qiáng)片尺寸為50 mm×10 mm×1 mm。
應(yīng)用島津AGS-X萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)測(cè)試復(fù)合材料壓縮性能,夾頭加載速度設(shè)置為1.3 mm/min。每種改性試樣做五次壓縮測(cè)試,舍去誤差較大值,余下結(jié)果取平均值。
2 結(jié)果分析
2.1 GO的形貌分析
圖4為GO透射電鏡圖,由圖4(a)可知GO存在顯著的片層結(jié)構(gòu),圖4(b)顯示GO表面存在褶皺形狀,由此可知GO呈帶有褶皺的薄片層結(jié)構(gòu)。
2.2 GO與改性基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析
GO的傅里葉紅外光譜圖如圖5所示,由圖5可知,在1058 cm-1附近處吸收峰對(duì)應(yīng)醚中兩個(gè)C—O的伸縮振動(dòng);在3429 cm-1附近處吸收峰為一個(gè)寬的吸收峰,是分子間氫鍵O—H伸縮振動(dòng)。因此基于圖5中的幾個(gè)特征峰可知,GO表面存在一定數(shù)量的醚鍵以及羥基等含氧官能團(tuán)。
改性前后基體的傅里葉紅外光譜如圖6所示,由圖6可知,基體改性前后特征峰的位置沒有發(fā)生明顯的變化,相對(duì)于改性前,在3405 cm-1附近處可以發(fā)現(xiàn)—OH的吸收峰的強(qiáng)度明顯增大。由于在增強(qiáng)體纖維表面包含一定數(shù)量羥基、羧基等含氧基團(tuán),與GO發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此1110 cm-1附近處的C—O—C的伸縮振動(dòng)是由GO的羥基與增強(qiáng)體表面的羥基之間發(fā)生脫水反應(yīng)生成醚鍵引起。同時(shí)在1510、2870 cm-1和1510 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)度明顯提高,其中1510 cm-1附近處吸收峰是由樹脂的C—C振動(dòng)所引發(fā),2870 cm-1附近處的吸收峰是由C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)引起,3405 cm-1附近處的吸收峰是由多個(gè)大分子之間形成的氫鍵引起,峰強(qiáng)的提高表明改性樹脂的反應(yīng)位點(diǎn)增多。
2.3 GO晶粒尺寸分析
GO粉末的XRD衍射圖如圖7所示,各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。由圖7可知GO粉末圖譜僅在2θ為11.34°左右開始出現(xiàn)強(qiáng)大的衍射峰,由此可以判斷該GO粉末純度高。分別基于布拉格公式(式(1))與謝樂公式(式(2)),將參數(shù)代入式(1)、式(2)中。得到GO晶面間距為0.78 nm;GO晶粒垂直于晶面方向的平均厚度為0.15 nm。
d=nλ2sinθ(1)
式中:d為GO晶面間距,nm;θ為掃描角度,(°);n為衍射級(jí)數(shù);λ為x射線波長(zhǎng),nm。
D=KλBcosθ(2)
式中:D為GO晶粒垂直于晶面方向的平均厚度,nm;B為衍射峰的半高寬,rad;K為謝樂常數(shù)(B為衍射峰的半高寬,因此K取值0.89);λ為x射線波長(zhǎng),nm;θ為掃描角度,(°)。
2.4 試樣熱穩(wěn)定性分析
圖8為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GO改性環(huán)氧樹脂的熱重性能。GO改性后試樣失重曲線變化分3個(gè)階段,當(dāng)溫度在200 ℃左右,樹脂中的親水基團(tuán)發(fā)生分解。隨著溫度的不斷升高,樹脂大分子鏈開始斷裂;溫度達(dá)到450 ℃以上時(shí),碳架分解,分解過程逐步結(jié)束。
由圖8可知,經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GO改性后試樣在450 ℃之后的殘留量有所差異:隨著GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,殘留量亦隨之增大。這是因?yàn)镚O加入,改變了界面結(jié)合力和界面相容性,GO與環(huán)氧樹脂之間的物理、化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)增加,GO與樹脂分子之間的結(jié)合力大于純樹脂分子之間的相互作用力。同時(shí)GO的屏障作用,延緩了試樣的分解,經(jīng)由GO改性的試樣熱穩(wěn)定性有所提升,由此可知GO的加入可提升纖維/基體界面結(jié)合力。
2.5 GO在樹脂內(nèi)相容性與分散性
環(huán)氧樹脂改性效果取決于GO在樹脂內(nèi)相容性與分散性。由于GO表面具有大量的含氧官能團(tuán)(以羥基、羧基為主),在乙醇溶液中有較好的分散效果,而且乙醇作為有機(jī)溶劑可以溶解環(huán)氧樹脂。為了使得GO在樹脂中達(dá)到理想分散效果,首先,應(yīng)用乙醇溶解GO,進(jìn)行超聲剝離以獲得較為穩(wěn)定的分散體系。其次,按照質(zhì)量比(GO的填充量占環(huán)氧樹
脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.10%、0.25%和0.35%轉(zhuǎn)移到環(huán)氧樹脂體系中,再次進(jìn)行超聲處理后加熱,去除乙醇溶劑。最后,按比例加入固化劑形成混合膠液。為表征GO與樹脂的相容性,以GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的樹脂體系為例,將處理后的改性樹脂靜置36 h,觀察樹脂體系分層情況。由圖9可知,分散處理的樹脂沒有發(fā)生明顯分層現(xiàn)象,因此GO在樹脂體系完全固化之前具有良好的相容性。
圖10為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25% GO改性前后環(huán)氧樹脂微觀結(jié)構(gòu)圖。由圖10可知,GO呈現(xiàn)出褶皺的形態(tài)。改性后GO均勻分布在樹脂內(nèi)部且未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,由此可知GO在樹脂基體內(nèi)具有良好的分散性。
2.6 GO改性對(duì)復(fù)合材料壓縮性能影響
壓縮載荷的極限值對(duì)應(yīng)應(yīng)力為壓縮強(qiáng)度,壓縮應(yīng)力σ及壓縮模量E計(jì)算公式如下:
σ i=P iA(3)
E=ΔσΔε(4)
式中:P i為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷,N;A為試樣截面積,mm2;E為彈性模量,MPa;Δσ為兩個(gè)應(yīng)變點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的應(yīng)力差值;Δε為兩個(gè)應(yīng)變點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)變差值。
不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GO改性復(fù)合材料壓縮性能如表4所示。由表4中可知,經(jīng)GO改性試樣在0°與90°方向上的壓縮性能得到提升。其中,當(dāng)GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%,試樣的壓縮性能最優(yōu)。與未改性試樣相比,沿0°方向,壓縮強(qiáng)度提高了12.24%,壓縮模量提高了38.20%;沿90°方向,壓縮強(qiáng)度提高了19.64%,壓縮模量提高了25.32%。通過對(duì)比試樣在相同測(cè)試方向上的壓縮性能,發(fā)現(xiàn)隨著GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,試樣壓縮強(qiáng)度與模量大小出現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。由此可知,以試樣壓縮性能為目標(biāo)值,存在最優(yōu)的GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
2.7 最優(yōu)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定
以改性后復(fù)合材料壓縮性能為目標(biāo)值,基于實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析,確定最優(yōu)GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)。GO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,0.10%,0.25%,0.35%。改性前后復(fù)合材料試樣壓縮強(qiáng)度隨GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如表5所示。
由表5可知,隨著GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,壓縮強(qiáng)度先增加后降低。當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí),試樣沿0°和90°方向上壓縮強(qiáng)度值最大分別為429.14、406.82 MPa。為了得出壓縮性能最優(yōu)時(shí)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù),以試樣壓縮強(qiáng)度為目標(biāo)值,基于非線性擬合壓縮強(qiáng)度隨GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線,求出最優(yōu)的GO質(zhì)量分?jǐn)?shù),如圖11所示。
0°方向擬合方程:
y=y 0+Acosx2φπ(5)
式中:y為壓縮強(qiáng)度,MPa;x為GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;y 0,A,φ為擬合常數(shù)。
試樣沿0°方向壓縮性能擬合參數(shù)見表6。由表6可知,GO改性試樣在0°方向上的擬合方程相關(guān)系數(shù)平方和為0.94,在允許范圍內(nèi),擬合方程可用于預(yù)測(cè)壓縮性能隨GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。對(duì)擬合方程求一階導(dǎo)數(shù),如圖12(b)所示,可知當(dāng)壓縮性能最優(yōu)時(shí),GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%。
為驗(yàn)證預(yù)測(cè)數(shù)值的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)制備了GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.21%的復(fù)合材料試樣,其沿0°方向壓縮強(qiáng)度為430.58 MPa,大于GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%時(shí)的壓縮強(qiáng)度值(429.14 MPa),與未改性試樣相比提高12.62%。因此基于實(shí)驗(yàn)及非線性二乘法擬合所得出試樣在0°方向上最佳的GO改性質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%。
2.8 失效形態(tài)分析
應(yīng)用高清顯微鏡觀察GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%時(shí)試樣斷裂截面,如圖12所示。改性后試樣在0°與90°方向上壓縮失效形式一致,主要表現(xiàn)為基體失效、纖維/基體分層失效。
壓縮性能測(cè)試時(shí),當(dāng)基體斷裂失效后,纖維/基體界面承載載荷,由于兩種纖維與基體的結(jié)合力差異,形成應(yīng)力集中效應(yīng),與基體結(jié)合力較小的纖維首先與樹脂的脫黏即宏觀上的分層現(xiàn)象。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%的試樣斷裂截面如圖13所示。由圖13可知,未改性復(fù)合材料試樣內(nèi)部纖維層分層明顯,GO納米粒子改性后的試樣纖維/基體界面性能得到了增強(qiáng),有效抑制了纖維層之間的分離,纖維/基體界面結(jié)合面積增加。
3 結(jié) 論
采用VARTM成型工藝制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GO改性碳玻混雜纖維復(fù)合材料試樣。以試樣的壓縮性能為目標(biāo)值,分析不同GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳?;祀s復(fù)合材料壓縮性能的影響,得到如下結(jié)論:
a)化石墨烯(GO)改性后復(fù)合材料試樣壓縮性能沿0°方向,壓縮強(qiáng)度最大提高了12.24%;沿90°方向,壓縮強(qiáng)度最大提高了19.64%。
b)碳/?;祀s纖維復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度和模量隨著氧化石墨烯(GO)粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,達(dá)到最大之后出現(xiàn)下降。以壓縮強(qiáng)度為目標(biāo)值,應(yīng)用非線性擬合并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法得到試樣在0°方向上GO最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%。
c)壓縮失效試樣斷裂截面形貌圖顯示,與未改性試樣相比,經(jīng)過氧化石墨烯改性后試樣失效形式為纖維分層纖維和纖維束的斷裂,纖維/基體界面黏合強(qiáng)度與結(jié)合面積增強(qiáng)。
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