城市景觀設計中碳纖維復合材料的制備與性能研究*

趙 晶

（西安交通大學城市學院，陜西西安710018）

碳纖維復合材料是一種同時具有碳材料固有本性又兼備紡織纖維的柔軟可加工性的新材料，與傳統碳素材料相比，碳纖維復合材料由于具有柔軟、可加工成各種織物，以及具有耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性[1]，而被廣泛應用于在城市景觀建筑、鐵道交通和航空航天等領域。在應用于城市景觀建筑時，碳纖維復合材料除需要具有良好的可加工性外，還需要具有足夠的強度和韌性以滿足多場合的應用需求[2]，但是目前碳纖維增強熱塑性復合材料的加工成型較為困難，容易由于成型工藝控制不好而影響最終成型質量以及力學性能，究其原因這主要與成型過程中熔融熱塑性樹脂粘度難以把握以及碳纖維織物間隙控制不當等有關[3-4]，而這方面的研究報道尚未徹底解決這些矛盾[5-6]。為了開發出適應于景觀建筑設計應用的碳纖維復合材料，在基于成型工藝可控和良好強度和韌性的要求上，開展了成型工藝參數對碳纖維復合材料形貌和力學性能影響方面的研究，結果將有助于新型碳纖維復合材料的開發及在景觀建筑上的應用。

1 試驗材料與方法

試驗材料：T700SC碳纖維（單絲根數12000、密度1.79g/cm3、纖維直徑7μm、斷后伸長率2.2%、拉伸強度5.0GPa）；聚碳酸酯（密度1199kg/cm3、拉伸強度66MPa、玻璃化轉變溫度154℃、熔化起始溫度219℃）。

采用模壓成型法制備城市景觀設計用碳纖維復合材料，成型工藝示意圖如圖1所示。在模壓成型前，需要將碳纖維原料和聚碳酸酯分別進行剪裁，然后置于高純氬氣保護的真空電阻爐中進行380℃/2h高溫除漿并空冷至室溫，將經過除漿的碳纖維編制成景觀設計用織物（絲束間距0.5mm），在PB-240型平板硫化機上進行模壓成型[7]，具體成型工藝參數見表1。

表1 碳纖維復合材料的成型參數Table 1 Molding parameters of carbon fiber composites

圖1 碳纖維復合材料的成型工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of forming process of carbon fiber composite

對成型碳纖維復合材料進行宏觀形貌拍攝；在成形碳纖維試樣上截取0°和45°拉伸試樣（圖2），按照ASTM D3039《聚合物基質復合材料拉伸性能的試驗方法》，在MTS-809型液壓試驗機上進行拉伸強度測試；按照拉伸強度標準化處理，將不同成型工藝下的碳纖維復合材料的拉伸強度轉化為碳纖維含量為50%的情況，標準化強度Rm可用式（1）表示[8]：

圖2 碳纖維復合材料的取樣示意圖Fig. 2 Sampling diagram of carbon fiber composite

式（1）中，Rr為碳纖維復合材料的實際強度（MPa），V為碳纖維復合材料中碳纖維的體積分數。室溫沖擊性能測試按照ASTM D7136在XJJWD-50型沖擊試驗機上進行。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀形貌

圖3為不同模壓溫度下碳纖維復合材料的宏觀形貌，其中，成型壓力為6MPa、成形時間為10min。對比分析可知，模壓溫度為250℃時碳纖維復合材料的聚攏性相對較差，而模壓溫度為220℃和240℃時碳纖維復合材料都呈現棋盤狀，碳纖維較為緊湊，且模壓溫度為240℃時的直線度最好。

圖3 不同模壓溫度下碳纖維復合材料的宏觀形貌Fig. 3 Macromorphology of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖4為模壓壓力對碳纖維復合材料的影響，其中，模壓溫度為240℃、成形時間為10min。對比分析可知，當模壓壓力為1MPa和6MPa時，碳纖維復合材料都體現出較好的聚攏性，平直度較好，而模壓壓力上升至9MPa時，碳纖維復合材料的聚攏性變差，表現在宏觀形貌上則呈現出沿著編織方向的白色線條。

圖4 模壓壓力對碳纖維復合材料形貌的影響Fig. 4 Effect of molding pressure on morphology of carbon fiber composites

圖5為模壓時間對碳纖維復合材料的影響，其中，模壓溫度為240℃、成型壓力為6MPa。對比分析可知，當模壓時間為7min和8.5min時，碳纖維復合材料的成型性相對較好，碳纖維復合材料表面的碳纖維較為緊湊，而模壓時間上升為11.5min時，碳纖維復合材料的聚攏性變差，表面可見沿編織方向的白色線條。

圖5 模壓時間對碳纖維復合材料形貌的影響Fig. 5 Effect of molding time on morphology of carbon fiber composites

從圖3～圖5的不同模壓工藝參數下碳纖維復合材料的形貌可知，模壓壓力過大、模壓溫度過高或者模壓時間過長，都不利于碳纖維復合材料的成型，在模壓溫度為240℃、成型壓力為6MPa、模壓時間為8.5min時，碳纖維復合材料具有較好的成型質量。

2.2 拉伸性能和沖擊性能

圖6為不同模壓溫度下碳纖維復合材料的拉伸性能。隨著模壓溫度的升高，圖6（a）和圖6（b）中的碳纖維復合材料實際抗拉強度和標準化拉伸強度都先增加后減小，實際抗拉強度最大值在模壓溫度240℃時取得。這主要是因為隨著模壓溫度從220℃上升至250℃，熔融基體樹脂粘度會逐漸降低，碳纖維的浸潤效果提升，界面性能得到改善，拉伸強度得到提升，但是溫度過高，粘度的進一步降低會影響流動性造成平紋結構破壞[9]，拉伸強度反而會減小。

圖6 不同模壓溫度下碳纖維復合材料的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖7為不同模壓溫度碳纖維復合材料的沖擊性能測試結果。與拉伸強度隨著模壓溫度的變化趨勢一致的是，碳纖維復合材料的沖擊功和峰值力也隨著模壓溫度升高而先增大后減小，沖擊功最大值在模壓溫度240℃時取得。模壓溫度對碳纖維復合材料沖擊性能的影響與溫度變化帶來熔融基體樹脂粘度改變有關，適宜的模壓溫度有助于復合材料成型[10]，而溫度過高會破壞內部結構而降低沖擊性能。

圖7 不同模壓溫度碳纖維復合材料的沖擊性能Fig.7 Impact properties of carbon fiber composites at different molding temperatures

圖8為不同模壓壓力碳纖維復合材料的拉伸性能，取樣為0°方向。碳纖維復合材料試樣的實際抗拉強度和標準化拉伸強度都隨著模壓壓力升高而先增加后減小，最大值在模壓壓力為3MPa時取得。這主要是因為隨著模壓壓力的升高，碳纖維復合材料中的絲束間隙會發生改變而影響整體結構，在較小的壓力下，碳纖維復合材料絲束間間隙相對較小，承受拉伸載荷的作用較強而具有較大的拉伸強度[11]，而模壓壓力過大會增大間隙而減小拉伸強度。

圖8 不同模壓壓力碳纖維復合材料的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of carbon fiber composites under different molding pressures

圖9為不同模壓壓力碳纖維復合材料的室溫沖擊性能測試結果。沖擊性能隨著模壓壓力的變化趨勢與拉伸性能相似，即表現為沖擊功和峰值力隨著模壓壓力增加而先增大后減小，最大值在6MPa時取得。模壓壓力過小不足以使得碳纖維與熔融基體產生協同作用，沖擊過程中的應力無法傳遞至碳纖維上造成沖擊性能較低[12]，而當模壓壓力為6MPa時，碳纖維復合材料的成型質量較好，內部結構較為緊湊，沖擊性能最佳；如果成型壓力過大，碳纖維復合材料的內部間隙過大而影響整體結構[13]，沖擊性能反而減小。

圖9 不同模壓壓力碳纖維復合材料的室溫沖擊性能Fig. 9 Room temperature impact properties of carbon fiber composites with different molding pressures

圖10為不同模壓時間碳纖維復合材料的拉伸性能測試結果，模壓溫度為240℃、模壓壓力為6MPa。碳纖維復合材料試樣的抗拉強度隨著模壓時間延長而先增大后減小，最大值在模壓時間10min時取得。這主要是因為模壓成型過程中碳纖維與熔融基體之間的浸潤需要一定的時間，如果成型時間過短，浸潤不充分會造成成型質量較差而影響拉伸強度；但是如果成型時間過長，碳纖維復合材料中會產生溢料現象而對碳纖維絲束產生沖散作用，影響整體質量而降低拉伸強度。因此，碳纖維復合材料適宜的模壓時間為10min。此外，無論是0°還是45°碳纖維復合材料試樣，拉伸強度隨著模壓時間的變化趨勢基本一致，并沒有出現明顯各向異性。

圖10 不同模壓時間碳纖維復合材料的拉伸性能測試結果Fig. 10 Test results of tensile properties of carbon fiber composites with different molding time

3 結論

（1）模壓溫度為250℃時碳纖維復合材料的聚攏性相對較差，而模壓溫度為220℃和240℃時碳纖維復合材料都呈現棋盤狀，碳纖維較為緊湊，且模壓溫度為240℃時的直線度最好。當模壓壓力為1MPa和6MPa時，碳纖維復合材料都體現出較好的聚攏性，平直度較好。當模壓時間為7min和8.5min時，碳纖維復合材料的成型性相對較好，碳纖維復合材料表面的碳纖維較為緊湊，而模壓時間上升為11.5min時，碳纖維復合材料的聚攏性變差。

（2）碳纖維復合材料的沖擊性能會隨著模壓溫度升高或者模壓壓力增大而先增加后減小。碳纖維復合材料的拉伸強度會隨著模壓溫度升高、模壓壓力增大或者模壓時間延長而先增加后減小。

（3）適宜的成型工藝為：模壓溫度、模壓壓力和模壓時間分別為240℃、6MPa和10min。