劉云

摘 要：為了提升圖書館碳纖維書架的綜合力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板，對比分析了單一添加玻璃微珠（GB）、納米碳酸鈣對Al/CF/PA6復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響，并對斷口形貌和復(fù)合添加玻璃微珠進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明：在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于GB。對比分析還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度會(huì)高于單一添加GB或者納米碳酸鈣。

關(guān)鍵詞：圖書館書架；碳纖維；金屬層板復(fù)合材料；力學(xué)性能；斷口形貌

中圖分類號(hào)：TQ342+.742;TB33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0097-04

Design and performance testing analysis of carbon fiber composite material for library bookshelves

LIU Yun

（Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China

）

Abstract：In order to improve the comprehensive mechanical properties of library carbon fiber bookshelves，carbon fiber reinforced metal laminates with different structures were designed.A comparative analysis was conducted to assess the impact of adding glass beads （GB） and nano calcium carbonate on the bending strength， shear strength， and impact strength of the composite material of Al/CF/PA6. In addition， the fracture morphology and the effects of adding GB to the composite material were also observed.The results showed that the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite were improved by adding GB or nano calcium carbonate to Al/CF/PA6，and the effect of nano calcium carbonate on the flexural strength，shear strength and impact strength of the composite was better than GB.In addition，the comparative analysis also showed that the bending strength，shear strength and impact strength of the composite after adding GB and nano calcium carbonate were higher than those of the single addition of GB or nano calcium carbonate.

Key words：library bookshelves;carbon fiber;metal laminated composite materials;mechanical properties;fracture morphology

碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板作為一種利用膠粘劑把兩層或更多層金屬薄板（通常為鋁合金）和夾在薄板之間的增強(qiáng)碳纖維膠接在一起制成的金屬層板復(fù)合材料［1］，由于兼具層壓板中不同種類材料的各自特性［2］，因此，綜合性能較為優(yōu)越，如質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞抗損傷性能好等［3］。因此，在現(xiàn)代化圖書館書架等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代圖書館對碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板書架要求的提高，用于書架的碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板不僅需要足夠的強(qiáng)度，還需要具有良好的剪切性能、沖擊性能等［4-7］，以滿足書架承重及可能發(fā)生的沖擊斷裂等問題。傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板多采用鋁合金/碳纖維/尼龍6復(fù)合材料制備，而目前研究多采用提高鋁合金性能、碳纖維性能等方面［8-10］，一定程度上提高了生產(chǎn)成本且對碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板綜合性能的提升幅度有限［11］。本文擬通過在鋁合金/碳纖維/尼龍6復(fù)合材料中單一添加玻璃微珠（GB）、納米碳酸鈣（CaCO3）和復(fù)合添加玻璃微珠+納米碳酸鈣的方法，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板，考察了其對應(yīng)于性能如彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響，以期為高綜合性能圖書館書架用碳纖維增強(qiáng)金屬層壓板的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)材料包括尼龍6（PA6，密度1.12 g/cm3）、YT-3K-P300型碳纖維（CF，直徑7 μm、密度1.77 g/cm3、拉伸強(qiáng)度3 540 MPa、斷后伸長率1.76%）、2024 T3鋁合金板（Al，厚0.5 mm）、納米碳酸鈣（CaCO3，粒徑80 nm，表面積1.75 m2/g）、CX-1000型玻璃微珠（GB）。

1.2 圖書館書架用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

共制備了4種不同類型的PA6基碳纖維復(fù)合材料，分別為Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6。其中，碳纖維材料裁剪成100 mm×100 mm，在甲醇溶液中靜置1 d，然后在烘箱中進(jìn)行58? ℃/2 h的干燥處理，空冷至室溫；鋁合金試樣同樣加工成100 mm×100 mm，經(jīng)過丙酮除油、堿洗、酸洗和陽極處理［12-13］。采用雙螺桿擠壓機(jī)制備PA6基碳纖維復(fù)合材料，上模225? ℃、下模235? ℃，擠壓壓力6 MPa、持續(xù)時(shí)間15 min。

1.3 測試與表征

彎曲、剪切和沖擊性能測試試樣的尺寸示意圖如圖1所示。室溫彎曲性能測試根據(jù)ASTM D 7264—07標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，跨距60 mm、加載速度1.5 mm/min；室溫層間剪切性能測試根據(jù)ASTM D2344—16標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，跨距16 mm、加載速度3 mm/min；室溫沖擊性能測試根據(jù)ASTM D256—10標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；彎曲、剪切和沖擊性能測試結(jié)果都取5根試樣的平均值［14］。采用IT-300型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 圖書館書架用復(fù)合材料的特性

表1為 PA6基碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果。

由表1可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫彎曲強(qiáng)度分別為303.69、323.26、339.17和353.54 MPa。可見，在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度會(huì)高于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6提升16.41%。

表2為 PA6基碳纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度測試結(jié)果。

由表2可知，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫剪切強(qiáng)度分別為41.95、42.75、46.99和49.08 MPa?？梢姡贏l/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料剪切強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度會(huì)高于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6提升17.00%。

表3為 PA6基碳纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度測試結(jié)果。

由表3可見，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫沖擊強(qiáng)度分別為90.77 kJ·m-2、90.98 kJ·m-2、94.53 kJ·m-2和89.49 kJ·m-2?？梢姡贏l/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度會(huì)低于單一添加GB或者納米碳酸鈣，且相較未添加GB或者納米碳酸鈣的Al/CF/PA6降低了1.41%。

2.2 圖書館書架用復(fù)合材料的斷口形貌

圖2為Al/GB/CF/PA6復(fù)合材料的斷口形貌。

從圖2（a）可見，鋁合金基體與PA6結(jié)合良好，且可以發(fā)現(xiàn)玻璃微球均勻分散在基體中；從圖2（b）可見，碳纖維與PA6的界面呈現(xiàn)脆性斷裂的特征，可以看見碳纖維斷裂，斷口起伏較大；從圖2（c）和圖2（d）可見，在斷口中可見玻璃微球在鋁合金和碳纖維中都有分布；圖2（e）可見拔出的碳纖維束上有少量變形，局部可見微裂紋的存在；從圖2（f）可見，在復(fù)合材料的斷口中，鋁合金斷口中有較多的韌窩，呈韌性斷裂特征，有助于提高復(fù)合材料的塑性和沖擊性能［15］。

進(jìn)一步對玻璃微珠在Al/GB/CF/PA6復(fù)合材料斷口中的分布進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）和圖3（b）可見，在復(fù)合材料斷裂過程中，裂紋會(huì)沿著玻璃微珠界面處擴(kuò)展，且玻璃微珠可以起到釘扎作用，一定程度抑制了裂紋擴(kuò)展［16］，有助于提升復(fù)合材料的強(qiáng)度。從圖3（c）和圖3（d）可見，部分裂紋擴(kuò)展過程中沿著玻璃微珠擴(kuò)展，部分玻璃微珠處于半剝離狀態(tài)，體現(xiàn)出二者較好的界面結(jié)合能力［17］，如果要使得玻璃微珠發(fā)生剝離需要更大的能量。

圖4為Al/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口形貌。

從圖4可看出，整體而言，Al/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷口中碳纖維被拔出，不同性質(zhì)的材料之間的界面基本剝離，在鋁合金基體中還可見微裂紋的存在；此外，鋁合金板與纖維之間已經(jīng)發(fā)生脫粘，鋁合金斷口較為平整，未見明顯韌窩等，表明塑性不高［18］。

圖5為Al/GB/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口形貌。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在Al/GB/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的斷口中存在明顯玻璃微珠和碳酸鈣，且碳纖維有被拔出的線性，這些增強(qiáng)體都可以起到增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的作用；此外，從圖5（b）～（d）可見，鋁合金發(fā)生了明顯塑性變形，斷口中出現(xiàn)了拔絲線性，表明斷裂過程中鋁合金吸收了較多的能量［19］；從圖5（e）的玻璃微珠的存在狀態(tài)可見，玻璃微珠均勻分散在基體組織中，尺寸約為98 nm，可以起到釘扎和抑制裂紋擴(kuò)展的作用［20］；由圖5（f）可見，玻璃微珠與基體界面結(jié)合良好。整體而言，玻璃微珠、碳酸鈣粒子和碳纖維等都可以起到增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的作用，因此，Al/GB/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都優(yōu)于單位添加玻璃微珠或者碳酸鈣的Al/GB/CF/PA6復(fù)合材料和Al/CaCO3/CF/PA6復(fù)合材料，斷口形貌的觀察結(jié)果與表1～表3的測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語

（1）在圖書館書架用Al/CF/PA6復(fù)合材料中加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，且納米碳酸鈣對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于GB；此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度會(huì)高于單一添加GB或者納米碳酸鈣；

（2）為了提升圖書館設(shè)計(jì)用復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫剪切強(qiáng)度分別為41.95、42.75、46.99和49.08 MPa。在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度會(huì)高于單一添加GB或者納米碳酸鈣；

（3）為了提升圖書館設(shè)計(jì)用復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其中，Al/CF/PA6、Al/GB/CF/PA6、Al/CaCO3/CF/PA6、Al/GB/CaCO3/CF/PA6的室溫沖擊強(qiáng)度分別為90.77、90.98、94.53和89.49 kJ/m2。在Al/CF/PA6加入GB或者納米碳酸鈣都會(huì)提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，復(fù)合添加GB和納米碳酸鈣后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度會(huì)低于單一添加GB或者納米碳酸鈣。

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