碳纤维增强树脂基复合材料的抗电弧烧蚀性能研究

碳纤维增强树脂基复合材料的抗电弧烧蚀性能研究

林正杰

中航复合材料有限责任公司北京市101300

摘要：近年来，我国的碳纤维增强环氧树脂基复合材料应用广泛，并采用扫描电镜、硬度计、电阻测量仪进行表征。研究发现：随着复合材料编织密度的增加，复合材料的硬度、电导率变大，抗电弧烧蚀性能也随之变好，即运用3D编织的方法制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料的抗电弧烧蚀性能比2.5D编织的复合材料的性能更加优良。

关键词：碳纤维；环氧树脂；3D编织；电弧烧蚀

引言

近年来，纤维增强树脂基复合材料3D打印技术取得了一定的发展和成果。截至目前，短切纤维增强热塑性和热固性树脂基复合材料3D打印技术，以及连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印技术均已经实现。本文针对纤维增强树脂基复合材料3D打印技术进行了分析。

1CFRP切削机理与数值模拟技术

CFRP复合材料的各向异性和非均匀性使其与金属及其合金的钻削在许多方面存在显著差异，因此CFRP的钻削加工成为切削加工领域的新挑战。由于CFRP复合材料自身的多尺度特征，其在力学载荷作用下的结构响应（如应力、应变以及损伤失效过程）也表现出较强的多尺度特征，与传统的金属切削相比，其材料去除过程复杂。因此，针对CFRP单向层合板钻削机理与制孔缺陷形成机理的研究，不能简单地套用经典金属切削理论，也不能片面地在某一个尺度下进行研究。近年来，传统切削仿真在模拟各向异性复合材料纤维断裂等缺陷时难以精准实现这一问题日益凸显，新的CFＲP切削加工数值模拟技术开始发展，CalzadaK．A．等建立了一种基于微观结构的CFＲP复合材料加工的有限元模型，引入了一种新的界面建模方法，使用连续单元对材料界面进行建模，并允许其在拉伸或压缩过程中发生失效。该模型能够描述整个切屑形成过程中发生的纤维断裂模式，研究了纤维取向0°、45°、90°和135°时切屑中的纤维断裂特征及切削力。同时，CFＲP钻削加工的三维数值模拟技术正在缓慢发展，PhadnisV．A．等通过实验和数值计算，研究了切削参数对钻削轴向力和扭矩的影响。针对复合材料层合板在钻头—工件界面处的复杂运动学问题，建立了独特的三维有限元模型。采用内聚区单元模拟复合材料中的层间分层，利用X射线微计算机断层成像技术对钻削损伤进行检测，结果对比可知表面数值模型与实验一致性很好。因此，该模型可用于预测CFＲP复合材料的最佳钻削参数。

2碳纤维编织体的制备

复合材料的制备方法多种多样，其中，以3D编织技术编织的构件形态复杂且具有优良的抗冲击性而被广泛应用于高科技领域。2.5D编织技术虽是新工艺，但其能获得机织工艺难以解决的多层数、高厚度的结构，且构件成型速度快，能最大限度地满足织物尺寸和形状需要。3D与2.5D编织技术在结构上最大的区别是：3D编织技术的Z向纱沿厚度方向完全贯穿。①试验原料及仪器。碳纤维：吉林碳素厂生产。宁波海曙超声设备有限公司产KS-250EII超声波清洗机，上海精密科学仪器有限公司产FA2004N电子天平。②试验步骤。为使纤维束满足编织工艺要求，将碳纤维表面涂以纺织型浆料，然后编织成三向正交预成型结构。编织完成后将织物放入有流动氮气保护的容器内加热，以清除碳纤维表面的纺织型浆料，温度为150~280℃。退浆完毕后将织物在一定真空度和功率条件下进行处理。

3碳纤维增强体的制备

①试验所需药品和设备。环氧树脂（E-51），工业级，蓝星新材料无锡树脂厂产。丙酮，分析纯，白银良友化学试剂有限公司产。上海生银医疗仪器有限公司产真空干燥箱YLD-2000。②试验步骤。采用正交刷涂加模压成型的方法制备复合材料。将编织好的碳纤维编织体于80℃烘干。按照纤维与树脂质量比为6∶4的比例称取环氧树脂，再用丙酮稀释树脂至体积分数为36%。用刷子将配好的树脂胶液以正交方式涂刷到碳布的正反面并铺展，逐次叠层，共铺四层，然后置于平板模具之间。将制备好的复合材料进行切割（切割完毕后用砂纸将表面打磨光滑），并用酒精清洗。

43D打印工艺原理及试验设备（设备型号）

热塑性树脂的聚合物链依靠分子间作用力缔合，随着温度的升高，分子间作用力迅速减弱，并由此转变为黏流态。因此，热塑性树脂可以通过反复加热和冷却，多次重复成形。然而，不同于热塑性树脂可重复使用的特性，热固性树脂的聚合物链之间由于深度的聚合交联固化反应，导致形成牢固的三维空间网络；因此，一经固化，热固性树脂则无法被再次利用。但在固化之前，其仅仅作为热固性的预聚物，分子链之间并没有发生聚合交联反应，与热塑性树脂无异。作为整个工艺的起点，丝材制备模块由于采用树脂在玻璃态和黏流态之间的相互转变来实现制备过程，故选取常温下为固态的环氧树脂E-20（601）作为热固性树脂基体，其熔点为64~76℃；选取潜伏性热固化剂双氰胺（DICY）作为固化剂，其最低反应温度为150℃，由于分子中氨基和氰基的双重作用导致与E-20在中低温下具有较长的稳定适用期。另外，根据打印效率和打印精度的要求，选择3K碳纤维作为增强材料。本文提出的连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺，即借鉴了热塑性3D打印利用树脂在玻璃态和黏流态之间的相互转变来实现制丝、打印的原理，同时考虑到后续热固性树脂涉及到的聚合交联固化反应，还单独设计了后固化模块，从而将整个工艺分成3D打印丝材制备、3D打印成型过程、3D打印预成型体固化3个独立的模块。首先，着眼于连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印丝材的制备；其次，利用制得的丝材基于FDM原理进行3D打印成型，得到预成型实体构件；最后，将预成型体置于高温高压环境下，激活潜伏性固化剂活性，引发聚合交联反应彻底固化成型。

5结果与讨论

5.1复合材料的编织密度对硬度的影响

硬度是接触材料抗电弧腐蚀的指标之一。3D编织的复合材料洛氏硬度为28.5HRC，比2.5D编织的复合材料的硬度大。这是因为复合材料在编织密度增加的同时，纤维间更紧密，材料的硬度与抗冲击性能也随之提高。

表1复合材料的硬度

5.2复合材料的编织密度对电导的影响

复合材料的电导可以通过电阻求出。

式中：G为电导；R为电阻。由表2可知：3D编织的复合材料电导为59.2S，2.5D编织的复合材料电导为31.9S。本试验采用环氧树脂固化，其绝缘性较好，因此当编织密度增加时，刷在碳纤维上的树脂渗入得越少，导致复合材料的电导也越好。

表2编织密度与电阻和电导的关系

5.3复合材料烧蚀前后的扫描电镜分析

电弧腐蚀性能的主要测量指标是电接触材料的电弧腐蚀速率。在烧蚀前，两种复合材料的表面结构差别不大，环氧树脂覆盖比较均匀；在电弧放电烧蚀后，3D编织的复合材料仍可以保持良好的3D结构，环氧树脂部分脱落，而2.5D编织的复合材料结构散落，环氧树脂脱落严重。因此在应用过程中，3D编织的碳纤维复合材料的性能要优于2.5D编织的碳纤维复合材料。

结束语

综上所述，本试验采用3D与2.5D编织技术、环氧树脂固化的方法制备复合材料，采用电弧放电法探究复合材料的抗电弧烧蚀性能，结论如下：（1）3D编织复合材料的硬度比2.5D编织复合材料的大；（2）3D编织复合材料的导电性优于2.5D编织的复合材料。综上所述，运用3D编织的方法制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料做电车的受电弓材料，其抗电弧烧蚀性能较2.5D编织方法的更加优良。

参考文献：

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