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　　摘要：選用三種RTM 工藝成型的環氧樹脂系統分別對碳纖維進行滋潤，并制備了自行車架用碳纖維復合資料。選用克己滋潤度調查儀，粘度、外表張力和力學功能測驗以及紅外光譜和掃描電鏡剖析研討了不同環氧系統對碳纖維的滋潤性。成果標明：粘度低的AF-802 環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤性*佳，*大滋潤高度為28.41 mm;環氧樹脂系統對含上漿劑碳纖維的滋潤功能優于無上漿劑的碳纖維。滋潤性改善有益于碳纖維復合資料曲折強度進步，發揮碳纖維車架的全體效能，進步整車安全性。

　　關鍵詞：碳纖維;環氧樹脂;滋潤;曲折強度;自行車架

　　中圖分類號：TQ323.5 文獻標識碼：A 文章編號：1002 - 7432(2015)01-0044-06

　　0· 導言21 世紀以來，跟著碳纖維技能和自行車運動的快速開展，碳纖維自行車不僅成為高級運動自行車的開展方向，也是大眾化自行車產品尋求的新熱門，可以促進國內外學者對碳纖維自行車架制作工藝的深入研討和創新規劃[1，2]。

　　碳纖維復合資料的功能取決于結構規劃、組分功能和復合資料的成型工藝，直接影響碳纖維自行車架的全體效能。碳纖維自行車架的成型工藝由手糊成型過渡到樹脂傳遞模塑(RTM)成型，成型工藝的改善進步了碳纖維自行車架的生產質量和效率，但對樹脂的挑選要求更嚴格[3]。RTM 工藝要求樹脂活性高，凝膠時刻和固化時刻短，但又能滿意打針樹脂操作時刻的要求。因而，在RTM 成型進程中，樹脂與纖維之間快速并杰出滋潤顯得尤為重要，影響復合資料的界面功能。界面是樹脂基體與纖維增強體之間載荷傳遞的橋梁，對復合資料的力學功能起著至關重要的效果[4，5]。樹脂基體與纖維增強體的杰出滋潤是取得高質量復合資料界面的首要條件，也是工藝選材*直接的依據[6，7]。研討自行車架用碳纖維/樹脂的滋潤功能有益于快速挑選與之相匹配的樹脂基體，制備高質量碳纖維復合資料。

　　樹脂對纖維的滋潤功能是一個重要的研討課題，學者在該范疇進行了很多研討工作[8~10]，首要集中在經過測驗樹脂對纖維的滋潤功能或測定樹脂對纖維束接觸角的辦法，表征樹脂對纖維滋潤功能的改變并建立化學流變模型，但樹脂對纖維的滋潤功能與其對應的復合資料功能之間的聯系沒有評論。張佐光[11]等人研討了不同要素對滋潤功能影響的規則，標明上漿劑有利于改善樹脂對纖維的滋潤功能，但對上漿劑影響滋潤功能的實質沒有做進一步研討。

　　本文對RTM 工藝制備自行車架選用的3 種環氧樹脂系統與碳纖維的滋潤功能進行研討，比較上漿和無上漿碳纖維與環氧樹脂的滋潤功能，制備相應的環氧樹脂澆注體和碳纖維復合資料并測驗力學功能。經過粘度和外表張力剖析環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤功能，使用傅里葉變換紅外光譜剖析上漿處理前后的改變，選用掃描電子顯微鏡調查碳纖維復合資料的斷面描摹，剖析3 種環氧樹脂和碳纖維的滋潤功能和界面功能。本研討提出自行車架碳纖維*適合的RTM 工藝用環氧樹脂，說明碳纖維上漿劑對滋潤功能影響的實質原因，結合碳纖維復合資料的力學功能測驗討論自行車架用碳纖維與環氧樹脂的滋潤功能對復合資料功能的影響。

　　1 ·試驗部分

　　1.1 原資料

　　雙酚A 和雙酚F 混合型環氧樹脂AF-801R;環氧值0.57，固化劑AF-801H(脂肪族胺類)，環氧樹脂與固化劑混合后粘度為467 mPa·s;雙酚A型環氧樹脂AF-802R：環氧值0.42，固化劑AF-802H(芳香族胺類)，環氧樹脂與固化劑混合后粘度為382 mPa·s;雙酚A 型環氧樹脂AF-803R：環氧值0.53，固化劑AF-803H(酸酐類)，環氧樹脂與固化劑混合后粘度為571 mPa·s，以上均為無錫安飛纖維資料科技有限公司。

　　1.2 儀器和設備

　　數顯式旋轉粘度計，類型：NDJ-79A，丈量誤差：±2%，丈量規模：1 ~ 106 mPa·s;微機操控電子全能試驗機，類型CMT5105，*大負荷100 kN，準確度等級：0.5 級，深圳市新三思計量技能有限公司;外表張力儀，類型：DCAT21，丈量規模：1～1 000 mN/m， 精度等級： ±0.001 mN/m， 德國Dataphysics 儀器股份有限公司;傅里葉紅外光譜儀，類型Nexus670：測驗規模500~4 000 cm-1，美國熱電集團Nicolet 公司;滋潤度調查儀(克己)，見圖1。

　　1.3 試樣制備

　　將碳纖維置于105 ℃干燥箱中烘干2 h，備用。對碳纖維外表進行上漿處理，上漿劑質量分數為1.10%。

　　分別將m(環氧樹脂AF-801R)∶ m(固化劑AF-801H)為100 ∶ 28、m(環氧樹脂AF-802R)∶ m(與固化劑AF-802H)為100 ∶ 21、m(環氧樹脂AF-803R)∶ m(固化劑AF-803H)為100 ∶ 25 混合拌和均勻，抽真空脫泡澆注后，選用雕刻機依照試樣規范尺度：120 mm × 15 mm × 6 mm 進行加工，用于測驗環氧樹脂基體的曲折強度。

　　將韓氏碳纖維織物依照0°/90°方向進行疊放鋪層，共6 層，用于真空袋輔佐成型。堅持真空袋內真空壓-0.1 MPa，在25 ℃下將環氧樹脂系統導入真空袋滋潤碳纖維層，滋潤徹底待出膠口安穩流出樹脂膠液，夾緊進、出膠管，選用墊片操控樣品厚度為2 mm，將金屬模具用螺栓擰緊。固化工藝為：AF-801 環氧樹脂系統固化25 ℃/48 h，AF-802 環氧樹脂系統固化90 ℃/4 h，AF-803 環氧樹脂系統固化150 ℃/2 h。參照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料試驗辦法總則》將碳纖維復合資料切開加工成規范試樣，測驗曲折強度的試樣尺度為80 mm × 15mm × 2 mm，測驗剪切強度的試樣尺度為20 mm ×10 mm × 2 mm。

　　1.4 功能測驗與剖析辦法

　　滋潤度測驗：選用如圖1 所示設備圖，進行碳纖維的滋潤度試驗。

　　

 

　　首先用雙面膠帶把碳纖維束固定在刻度尺上，將環氧樹脂和固化劑按比例混合拌和均勻，真空脫泡后倒入玻璃燒杯中。敞開恒溫水浴槽并設定水浴恒溫(25±0.1)℃，然后將碳纖維束結尾浸入環氧樹脂系統液面以下5 mm 處，碳纖維束由碳纖維單絲集束而成，構成很多毛細管通道，環氧樹脂系統在毛細壓力驅動下沿著毛細管通道敏捷上升，并潮濕碳纖維外表，此刻敞開數碼電子顯微鏡記載環氧樹脂膠液在碳纖維束中上升進程的印象。經過圖畫處理后，讀取相應時刻環氧樹脂膠液在刻度尺上對應的刻度值，得到滋潤高度和滋潤時刻的聯系來表征環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤度。

　　環氧樹脂系統粘度，參照GB/T 22314—2008《塑料環氧樹脂粘度測定辦法》進行測驗;環氧樹脂系統凝膠時刻，參照GB/T l2007.7—1989《環氧樹脂凝膠時刻測定辦法》進行測驗;碳纖維復合資料曲折強度，參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料曲折功能試驗辦法》進行測驗，剪切強度參照JC/T 773—2010《纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》進行測驗。

　　選用Wilhelmy 吊片法使用DCAT21 型外表張力儀丈量3 種不同環氧樹脂系統的外表張力;取1.00 mg 樣品經過KBr 壓片法，選用美國熱電集團Nexus 670 型紅外光譜儀測驗;選用A005+數碼電子顯微鏡進行碳纖維外表上漿處理前后的調查;取厚度為2 mm 碳纖維復合資料曲折功能試驗開裂樣品，選用德國蔡司ULTRA55 熱場發射掃描電子顯微鏡進行截面調查。

　　2· 試驗成果

　　2.1 環氧樹脂與碳纖維的滋潤功能剖析

　　復合資料的界面是影響復合資料功能的決議性要素，取得**界面的首要問題是樹脂與纖維**的滋潤功能。碳纖維外表含有上漿劑保護膜，使纖維集束改善其加工功能，上漿劑會影響碳纖維與環氧樹脂的滋潤功能。25 ℃ 3 種不同環氧樹脂系統的功能剖析見表1。

　　

 

　　試驗標明，3 種RTM 工藝用環氧樹脂系統與碳纖維的滋潤功能，它們均具有低粘度和鄰近的凝膠時刻，滿意試驗制備碳纖維復合資料的工藝要求，即粘度< 800 mPa·s，凝膠時刻> 90 min。環氧樹脂系統的粘度和外表張力是影響環氧樹脂系統活動功能的重要要素，環氧樹脂系統的活動功能決議環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤功能。結合環氧樹脂系統的粘度和外表張力剖析3 種環氧樹脂系統對碳纖維滋潤功能的影響，選用紅外圖譜表征碳纖維上漿劑成分，剖析上漿劑對碳纖維滋潤功能影響的實質原因。

　　2.1.1 環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤功能的影響

　　在25 ℃條件下，選用克己碳纖維滋潤度觀測儀對上漿碳纖維在3 種環氧樹脂系統的滋潤高度與滋潤時刻的改變進行測定，見圖2 所示。

　　

 

　　可以看出，跟著時刻的添加，環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤速度逐步減慢，在90 min 后開端趨于陡峭。在90 min 時，AF-802 環氧樹脂系統滋潤高度為28.41 mm，遠高于其他2 種環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤高度;這說明AF-802 環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤性*好。

　　按比例將環氧樹脂與固化劑混合均勻，3 種不同環氧樹脂系統25 ℃時等溫粘度曲線見圖3。

　　

 

　　由圖3 可以看出，跟著時刻的添加，環氧樹脂系統的粘度不斷添加，這說明環氧樹脂與固化劑發作化學交聯反響，阻止了分子鏈間的運動，環氧樹脂系統活動性下降，開端凝膠，而環氧樹脂發作凝膠后構成了三維網狀結構，然后阻止了環氧樹脂分子鏈的活動，凝膠后的環氧樹脂的粘度添加也導致了環氧樹脂系統活動性下降。而粘度曲線上升斜率增大，標明環氧樹脂系統反響速率的添加。

　　影響環氧樹脂系統對碳纖維束滋潤功能首要要素為：碳纖維束的毛細管通道和環氧樹脂系統在碳纖維外表的主動鋪展。

　　碳纖維束是由碳纖維單絲集束而構成的，所以碳纖維束中的碳纖維單絲之間構成了很多的毛細管通道，然后影響環氧樹脂系統滋潤性的重要要素。環氧樹脂系統與碳纖維束外表成凸形，此刻環氧樹脂系統所遭到的實踐附加壓力要高于平面的水平附加壓力，在附加壓力驅動下環氧樹脂系統沿毛細管通道產生毛細活動，所以環氧樹脂系統在滋潤時促進環氧樹脂系統滋潤碳纖維束。環氧樹脂系統的外表張力影響著環氧樹脂在毛細管通道中的活動，外表張力越大，毛細活動效果越好，對碳纖維的滋潤性越好。環氧樹脂系統的粘度影響環氧樹脂系統在碳纖維外表的主動鋪展，粘度越大活動阻力越大，對碳纖維的滋潤性越差。

　　3 種不同環氧樹脂系統在滋潤進程中發作化學交聯反響，環氧樹脂的粘度添加，活動阻力增大，阻止了環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤，3 種不同環氧樹脂系統外表張力見表2。

　　

 

　　AF-803 環氧樹脂系統外表張力為36.71 mN/m，為三者*小，其毛細活動效果*差，對碳纖維的滋潤性*差。試驗標明，在反響初期AF-802 環氧樹脂系統粘度*低，樹脂的活動阻力*小，外表張力為41.36 mN/m，為三者*大，所以AF-802 環氧樹脂對碳纖維滋潤速率*大;跟著反響的進行，環氧樹脂系統粘度逐步增大，反響進行50 min 后，AF-802 環氧樹脂系統粘度超越AF-803 環氧樹脂系統，此刻環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤功能影響緩慢，試驗標明起決議效果的是環氧樹脂系統前期的粘度和外表張力。綜上所述，AF-802 環氧樹脂系統對碳纖維的滋潤性*佳。

　　2.1.2 上漿劑對碳纖維滋潤功能的影響

　　AF-802 環氧樹脂系統在25 ℃時對上漿和無上漿碳纖維的滋潤高度與滋潤時刻的聯系見圖4。由圖4 可以看出，AF-802 環氧樹脂系統對無上漿碳纖維的滋潤高度為17.75 mm，對上漿碳纖維滋潤高度為28.41 mm。這標明AF-802 環氧樹脂系統對含上漿劑的碳纖維滋潤性更好。碳纖維外表上漿劑是具有多種添加劑的混合物的FT-IR 圖譜見圖5。

　　

 

　　

 

　　圖5 顯現上漿劑在3 419 cm-1 鄰近有—OH 基團的彈性振蕩吸收峰，在1 113 cm-1 鄰近有C—O—C 基團的彈性振蕩吸收峰，上漿處理添加了碳纖維外表的含氧官能團，而環氧樹脂分子鏈中存在固有極性羥基和醚鍵，環氧樹脂與碳纖維外表的含氧官能團發作反響構成氫鍵。所以碳纖維外表上漿劑的存在添加了與環氧樹脂的相容性。

　　無上漿和上漿碳纖維束擴大圖見圖6。上漿處理的碳纖維比較無上漿處理的碳纖維，碳纖維的集束性好，纖維擺放規整，單絲空隙減小，因而毛細活動的等效毛細管半徑減小，彎月面附加壓力添加，環氧樹脂對碳纖維的滋潤性進步，滋潤高度增大。

　　

 

　　2.2 環氧樹脂/ 碳纖維復合資料的力學功能

　　環氧樹脂基體對碳纖維的滋潤性決議碳纖維復合資料的力學功能。滋潤功能越好，樹脂與纖維界面結合強度越好，可以有用傳遞載荷，進步碳纖維復合資料的力學功能。3 點曲折法丈量曲折強度是直接反映復合資料界面結合強度的微觀測驗辦法，復合資料的剪切強度用來評價樹脂對纖維的滋潤功能。不同環氧樹脂系統碳纖維復合資料力學功能見表3。

　　

 

　　表3 顯現：AF-803 環氧樹脂系統澆注體曲折強度*大，AF-802 環氧樹脂系統碳纖維復合資料曲折強度*大，曲折強度增強倍率也*大，增強倍率為5.21。AF-802 環氧樹脂系統碳纖維復合資料剪切強度*大。

　　對3 種不同環氧樹脂系統復合資料曲折試樣損壞后的斷面進行SEM 剖析，見圖7 所示。

　　

 

　　從圖7(a)和圖7(c)中可以看出AF801 和AF803 環氧樹脂系統復合資料斷面都存在不同程度的纖維撥出現象，撥出后的碳纖維在基體中殘留有深的隧洞，基體與纖維開裂嚴峻;圖7(b)標明AF802 環氧樹脂系統復合資料的損壞斷面規整，纖維與樹脂一起開裂，簡直無纖維撥出現象，這種損壞形式可以充分發揮樹脂基體與增強纖維的和諧效果，因而在開裂進程中吸收能量較多，然后進步了復合資料的強度。

　　綜上所述，滋潤功能試驗和SEM 剖析可以得到：AF-802 環氧樹脂系統具有較低粘度和較高外表張力，在凝膠進程中系統粘度添加緩慢，對碳纖維具有*佳的滋潤功能。因而，在真空樹脂傳遞成型工藝進程中可以均勻滲透在碳纖維外表，充溢纖維空隙構成機械鉸合，取得**的界面。當復合資料遭到外力效果，環氧樹脂與碳纖維之間的界面起到橋梁效果有用傳遞基體和增強資料之間的載荷，表現出碳纖維與環氧樹脂一起開裂，可以吸收更多的能量，然后復合資料的力學功能得到進步。

　　3 ·結論

　　1)選用克己碳纖維滋潤度調查儀測驗成果顯現：AF-802 環氧樹脂膠液對上漿碳纖維的滋潤性*好。AF-802 環氧樹脂系統粘度低，活動阻力小，有利于對碳纖維的滋潤。該環氧樹脂膠液外表張力大，有利于在碳纖維中的毛細活動。

　　2)外表上漿劑改善了環氧樹脂對碳纖維的滋潤功能。FT-IR 剖析標明上漿劑含有—OH 和C—O—C 基團，環氧樹脂分子鏈存在固有極性羥基和醚鍵，碳纖維外表的活性基團添加了與樹脂的相容性和結合。

　　3)SEM 剖析標明AF802 環氧樹脂系統復合資料的損壞斷面規整，顯現纖維與樹脂一起開裂，發揮了基體與增強體的協同效果，滋潤功能的進步對自行車架用碳纖維/環氧樹脂復合資料的物理功能起到了改善效果。