鄭雪輝

摘要：采用熱固化方法制備了邊坡錨固用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。研究了電加熱固化、傳統(tǒng)微波間接加熱固化和優(yōu)化后微波間接加熱固化復(fù)合材料的力學(xué)及熱學(xué)性能。結(jié)果表明，在電加熱固化和微波間接加熱固化過(guò)程的升溫過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)放熱峰，說(shuō)明碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在電加熱固化作用下已經(jīng)發(fā)生完全固化。相較于電加熱固化工藝，微波間接加熱固化在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全固化前提下所消耗的能量?jī)H為前者的24.97%，所需要的時(shí)間為前者的60%。微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和層間剪切性能都高于電加熱固化試樣，層間剪切性能平均值相較于電加熱固化提高了49.71%。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；電加熱固化；微波間接加熱固化；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ343+.742??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號(hào)：1001-5922（2023）03-0098-04

Study? on? thermosetting? process? and? properties? of carbon fiber? reinforced? composite? for? slope? anchorage

ZHENG Xuehui

（Guangdong Nanyue Traffic Hehui-Duan Expressway Management Office，Guangzhou 510000，China）

Abstract： Carbon fiber reinforced composites for slope anchorage were prepared by thermal curing method，and the? thermal and mechanical properties of the composites were studied，including electric heating curing，traditional mi- crowave indirect heating curing and optimized microwave indirect heating curing. The results showed that there was? no exothermic peak in the heating process of the carbon fiber reinforced composite during the electric heating cur- ing and the microwave indirect heating curing，indicating that the carbon fiber reinforced composite has been com- pletely cured under the electric heating curing. Compared with the electric heating curing process，the energy con- sumed by microwave indirect heating curing was only 24.97% of the former and the time required was 60% of the? former when the carbon fiber reinforced compositewas fully cured. The tensile properties，compressive properties， bending properties and interlaminar shear properties of carbon fiber reinforced composites cured by microwave indi- rectheatingwere higher than those cured by electric heating. The interlaminar shear properties of carbon fiber rein- forced composites cured by microwave indirect heating were lower than those cured by electric heating，while the av- erage interlaminar shear properties of carbon fiber reinforced composites cured by microwave indirect heating were

Keywords： carbon fiber reinforced composite；Electric heating curing；Microwave indirect heating curing；mechani- cal property

碳纖維復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)度、高彈性模量、高耐磨和耐蝕等特性而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域[1]。隨著近年來(lái)城鎮(zhèn)化建設(shè)和公路工程建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)邊坡錨固用材提出了更高的要求。傳統(tǒng)的鋼錨桿等材料在強(qiáng)度、耐腐蝕性能等方面都有弊端，需要進(jìn)一步提高錨桿的強(qiáng)度、耐磨和耐腐蝕性能等；而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有一系列性能優(yōu)勢(shì)[2]，有望在邊坡錨固工程中得到應(yīng)用。熱固化成形方式對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最終性能影響較大[3]，這主要是因?yàn)闊峁袒尚蔚募訜崴俣?、加熱時(shí)間等會(huì)對(duì)復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響，且固化周期也是生產(chǎn)單位較為看重的指標(biāo)之一[4]。目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多采用電加熱固化工藝制備，如有研究了多次電加熱固化對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，研究了碳纖維復(fù)合材料的注塑成型和電加熱固化工藝優(yōu)化等；但是都存在固化周期長(zhǎng)、固化成型質(zhì)量差、成品性能較低等問(wèn)題[5]。而微波間接加熱技術(shù)具有加熱速度高、能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱固化成形方面的研究較少，與傳統(tǒng)電加熱固化相比有哪些不同也有待研究。在此基礎(chǔ)上，研究了電加熱固化、傳統(tǒng)微波間接加熱固化和優(yōu)化后微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱學(xué)和力學(xué)性能，結(jié)果將有助于邊坡錨固用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與實(shí)際工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括單向碳纖維（纖維長(zhǎng)度5 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、厚度2mm），環(huán)氧樹(shù)脂為UIN1000型環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料。輔助材料包括厚度0.05 mm的隔離膜（熱導(dǎo)率0.4 W/（m·K）、密度2180 kg/m3）、厚度2.54 mm的透氣氈（熱導(dǎo)率0.07 W/（m·K）、密度258 kg/m3）、厚度0.05 mm 的真空袋（熱導(dǎo)率0.08 W/（m·K）、密度314 kg/m3）。

1.2 試件制備

采用人工鋪層的方法制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件，尺寸為200 mm×200 mm，共制備厚度為2.5 mm （薄壁類）和20 mm（大厚度）的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；碳纖維為單向碳纖維，環(huán)氧樹(shù)脂為厚度0.1 mm 的 UIN1預(yù)浸料，鋪層順序?yàn)?°/+45°/90°/-45°/-90°/45°。分別采用電加熱和微波間接熱成型工藝對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行熱固化成形，固化成型過(guò)程中的加熱速率為2℃/min、溫度為120℃、保溫時(shí)間為1.5 h，空冷至室溫。熱固化過(guò)程中采用光纖光柵溫度傳感器測(cè)試不同厚度方向的溫度。

1.3 測(cè)試與表征

采用 NETZSCH 差式掃描量熱儀對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行固化度測(cè)試[6]，得到差式掃描量熱曲線（DSC 曲線）；根據(jù) ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試[7]，試件尺寸為250 mm×25 mm×2.5 mm，拉伸速率為2 mm/min；根據(jù)ASTM D6641標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試[8]，試件尺寸為140 mm×13 mm×2 mm，壓縮速率為2 mm/min；根據(jù) ASTM D790-17標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試[9]，試件尺寸為100 mm×13 mm×2 mm，彎曲速率為1 mm/min、跨厚比16∶1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? 電加熱固化和微波間接加熱對(duì)比（薄壁類）

圖1為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化度測(cè)試曲線，分別對(duì)電加熱固化和微波間接加熱固化工藝下的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行DSC曲線測(cè)試。

從圖1（a）的DSC曲線中可知，3組碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在升溫過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)放熱峰，這說(shuō)明此時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在電加熱固化作用下已經(jīng)發(fā)生完全固化[10]；從圖1（b）的DSC曲線中可知，3組碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在升溫過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)放熱峰，這說(shuō)明此時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在微波間接加熱固化作用下也已經(jīng)發(fā)生完全固化。

表1列出了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱固化工藝中的能量/時(shí)間損耗對(duì)比分析結(jié)果。在電加熱固化工藝下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全固化所需要的能量為9.17 kW·h，消耗的時(shí)間為200 min；在微波間接加熱固化工藝下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全

固化所需要的能量為2.29 kW·h，消耗的時(shí)間為120 min。對(duì)比分析可知，相較于電加熱固化工藝，微波間接加熱固化在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全固化前提下所消耗的能量?jī)H為前者的24.97%；所需要的時(shí)間為前者的60%，可見(jiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全固化所需的能量和時(shí)間都大大縮短。這主要是因?yàn)槲⒉ㄩg接加熱過(guò)程中的升溫速率較快，且微波加熱過(guò)程中的輔助材料、腔體等都不會(huì)明顯吸收能量的緣故[11-13]。

分別對(duì)不同熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

對(duì)于拉伸性能測(cè)試結(jié)果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能平均值為608.82 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能平均值為636.41 MPa；對(duì)于壓縮性能測(cè)試結(jié)果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮性能平均值為402.72 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮性能平均值為422.07 MPa；對(duì)于彎曲性能測(cè)試結(jié)果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能平均值為844.94 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能平均值為760.98 MPa；對(duì)于層間剪切性能測(cè)試結(jié)果而言，電加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能平均值為46.82 MPa，微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能平均值為50.20 MPa。由此可見(jiàn)，微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和層間剪切性能都高于電加熱固化試樣。

2.2 微波間接加熱工藝優(yōu)化結(jié)果（大厚度）

圖2～圖4為優(yōu)化前后微波間接加熱碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化曲線。

從圖2～圖4對(duì)比分析可知，相較于電加熱固化，傳統(tǒng)微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化溫度相較較高、固化周期明顯縮短，優(yōu)化微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化溫度相較較小、固化周期明顯縮短。相較于傳統(tǒng)微波間接加熱固化，優(yōu)化微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化溫度和固化周期進(jìn)一步縮短。

表3為不同熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能測(cè)試結(jié)果。

由表3對(duì)比分析可知，電加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能平均值為44.66 MPa，而傳統(tǒng)微波間接加熱固化和優(yōu)化后微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能分別為28.15、66.86 MPa?？梢?jiàn)，對(duì)于大厚度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，傳統(tǒng)微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能會(huì)有所減小，這主要是由于微波間接加熱過(guò)程中的升溫速率較快，會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋而降低層間剪切性能[14]；優(yōu)化后微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能平均值相較于電加熱固化提高了49.71%，這主要是因?yàn)閮?yōu)化后的微波間接加熱工藝可以有效控制固化反應(yīng)的放熱，并使得復(fù)合材料內(nèi)部的溫度降低（如圖4，1/2厚度處和1/4厚度處最高溫度分別為142.8℃和138.0℃），不會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生熱損傷等缺陷[15]。

3 結(jié)語(yǔ)

3組碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在電加熱固化和微波間接加熱固化過(guò)程的升溫過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)放熱峰，說(shuō)明碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在電加熱固化作用下已經(jīng)發(fā)生完全固化。相較于電加熱固化工藝，微波間接加熱固化在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全固化前提下所消耗的能量?jī)H為前者的24.97%；所需要的時(shí)間為前者的60%，可見(jiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完全固化所需的能量和時(shí)間都大大縮短。微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和層間剪切性能都高于電加熱固化試樣。對(duì)于大厚度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，傳統(tǒng)微波間接加熱固化工藝下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能會(huì)有所減小，優(yōu)化后微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能平均值相較于電加熱固化提高了49.71%。推薦采用微波間接加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，且優(yōu)化工藝后可以起得良好的固化效果。

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