孙海涛

摘要：目前，开发应用的轻质材料主要包括高强度钢、轻合金材料、工程塑料及复合材料。复合材料主要以高性能纤维增强基体树脂的复合材料为主。在轻质材料领域，纤维增强树脂基复合材料是在工程塑料高性能化的基础上发展起来的，具有质轻、高模高强、易成型、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等特点，在质量减轻与强度方面达到甚至超过了轻质合金、工程塑料等。而本文就短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料制备与性能进行分析研究。

关键词：短碳纤维；聚乙烯树脂；复合材料；制备；性能

1 导言

碳纤维增强树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域以及在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料更颇具优势。在先进复合材料领域，除广泛应用的玻璃纤维外，碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维，是高性能纤维复合材料领域的关键材料。

2 短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料

碳纤维的用途主要是利用其“轻而强”和“轻而硬”的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其X光透过性，应用于X光床板等。这些优点都使得碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料有更加广阔的应用领域。

3 短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料制备研究

3.1 实验部分

1）主要原料。聚丙烯腈基碳纤维（12K），T700；低压高密度聚乙烯，1600J。

2）主要设备及仪器。疲劳试验机，EHF-EM200K2-070-1A；注塑机，XS-ZY500；扫描电子显微镜，JSM-6360LA。

3.2 样品制备

1）制备工艺：本文以聚乙烯为基体材料和短碳纤维（未处理和氧化处理）为增强材料，均匀混料后采用注射成型制备复合材料。

2）混料：短碳纤维增强热塑性树脂复合材料是非均质材料，原料由聚乙烯树脂颗粒和碳纤维组成，原料混合是否均匀，对成型过程以及复合材料的性能影响很大，因此混料是很重要的一道工序。

3）注射成型：本文采用注射成型加工纯聚乙烯树脂、加入2%未处理碳纤维的聚乙烯混合料、加入4%未处理碳纤维的聚乙烯混合料、加入2%经氧化处理过的碳纤维的聚乙烯混合料、加入4%经氧化处理过的碳纤维的聚乙烯混合料等样品，预热和干燥时间为1～2h，温度为10～100℃；机筒温度从前段到后段分别为200～220、180～200、160～180℃，模具温度为80～90℃，注射压力为70～100MPa，螺杆转速为48r/min。

3.3 性能测试与结构表征

按照GB/T16799-1997对碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料以及纯聚乙烯材料进行疲劳试验，采用的载荷类型是拉-拉载荷，试验波形为正弦波，加载频率（f）为10Hz，应力比（R）为0.1，载荷应力分别为10、8、6、4、2MPa；每一种载荷力情况下在每一组中取3个试样进行疲劳测试，测定循环次数后求平均值（N），然后对所有疲劳循环次数N求对数即lgN。

4 短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料制备结果与讨论

4.1 短碳纤维增强热塑性树脂复合材料的疲劳性能

从表1和图1可知，随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强聚乙烯复合材料的疲劳寿命增大。随着外加交变载荷的减少，碳纤维增强聚乙烯复合材料的疲劳寿命在增加，碳纤维含量不同，但疲劳寿命（S-N）曲线走势大致相似。从理论上讲，在疲劳裂纹的产生阶段，随着碳纤维含量的增加，聚乙烯与碳纤维界面增多，对裂纹的产生有利。

本文中的碳纤维最大含量为4.021%，可能小于能够使复合材料的疲劳性能降低的碳纤维含量临界值，导致随着碳纤维含量的增加，复合材料的疲劳寿命增加，不能满足验证理论知识。对于金属材料，我们把S-N曲线上循环次数的对数值为7时所对应的最大应力称为疲劳极限。但是至今没有确认复合材料具有这一性质，本文暂且在lgN=3处画一条平行于Y轴的直线，与所有曲线相交的点对应的应力值为该复合材料的条件疲劳极限。根据图1可知，随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料在循环数N=103即循环次数对数值lgN=3所对应的最大应力即条件疲劳极限值由纯聚乙烯的2.379MPa逐渐增大到碳纤维含量为4.021%时的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步减小，具体条件疲劳极限值如表2所示。

4.2 短碳纤维增强热塑性树脂复合材料的断裂机理

碳纤维增强聚乙烯复合材料的疲劳过程大致可分为疲劳裂纹的产生阶段、疲勞裂纹的扩展阶段、材料的失效和断裂阶段等3个阶段。在疲劳裂纹的产生阶段，随着碳纤维含量的增加，聚乙烯与碳纤维界面越多，对裂纹的产生越有利。在疲劳裂纹扩展阶段，如果疲劳裂纹的尖端扩展至跟原裂纹扩展方向不同的碳纤维表面，则裂纹的扩展终止，这时只有裂纹扩展方向改变或从聚乙烯树脂基体中碳纤维被拔出之后，疲劳裂纹才会继续扩展，所以碳纤维对复合材料疲劳裂纹的扩展起阻滞作用。随着聚乙烯树脂基体中碳纤维含量的增加，应力主要集中在聚乙烯与碳纤维的界面处，当复合材料所受的应力比聚乙烯跟碳纤维界面的黏结力大时将会有裂纹产生，且裂纹沿着碳纤维轴向方向扩展。所以，随着碳纤维含量的增加，复合材料的疲劳性能降低。

5 结语

结果表明，随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强聚乙烯复合材料的疲劳寿命增加；随着外加交变载荷的减少，碳纤维增强聚乙烯复合材料的疲劳寿命也增加；碳纤维含量不同的复合材料的S-N曲线走势大致相似；随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料的条件疲劳极限值由纯聚乙烯时的2.379MPa，逐渐增大到碳纤维含量为4.021%时的9.096MPa，增大了282.346%，但增加的速度逐步减小。

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[2]吴林志，熊健，马力，王兵，张国旗，杨金水.新型复合材料点阵结构的研究进展[J].力学进展，2012.

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（作者单位：大庆石化公司）