碳纤维环氧树脂复合材料的制备及性能研究

图16 碳纤维/环氧树脂材料在20 N 载荷下不同滑行时间下的磨损量
图17 改性碳纤维/环氧树脂材料在20 N 载荷下不同滑行时间下的磨损量
实验结论
以环氧树脂、固化剂、碳纤维、改性碳纤维、偶联剂为主要原料，采用常温固化的方 法制备了力学性能优良的碳纤维/环氧树脂复合材料。在实验中获得以下研究结果： （1）通过低温氧化对碳纤维表面进行预处理，可以增加碳纤维表面的粗糙度和比表面积， 进而提高碳纤维和环氧树脂基体的界面结合力。 （2）随固化剂、碳纤维、改性碳纤维、偶联剂含量的增加，环氧树脂及其复合材料的力 学性能均出现先增加后降低的现象，当固化剂含量为30 wt%时、偶联剂含量为1 wt%，改 性碳纤维含量为15 vol%时，改性碳纤维/环氧树脂复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为 118.6 MPa和106.8 MPa，比纯树脂基体提高74.9%和102.6%。
学性能。
3、加入改性碳纤维的环氧树脂样品的制备： （1）将碳纤维放置在箱式电阻炉中于在400 ℃下氧化处理30 min，冷却到室温后备用。
将碳纤维放置在偶联剂（即KH550）丙酮溶液中改性处理，偶联剂的质量分数分别为0.5
wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%。 （2）用称重器和烧杯称量所需要质量的分散剂与固化剂。
图11 改性碳纤维/环氧树脂在 不同温度下的变形率
耐磨性能分析
图12 纯环氧树脂材料在10 N载 荷下不同滑行时间下的变形率
图13 碳纤维/环氧树脂材料在10 N载荷下不同滑行时间下的变形 率
图14 改性碳纤维/环氧树脂材料在10 N载荷下不同滑行时间下的变形率
图15 纯环氧树脂材料在20 N载荷下 不同滑行时间下的磨损量
致谢
感谢各位老师在百忙之中抽出时间对我的毕业设计进行答辩，您们 辛苦了！
碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能 研究
班级：材料141 姓名：刘树宣 专业：材料科学与工程 指导教师：于景媛
• 绪论 • 实验内容
• 实验数据曲线 • 实验结论
绪论
环氧树脂的特性
环氧树脂通常是具有两个及两个以上环氧基团，与固化剂反应后形成三维网状 结构的热固性材料。环氧树脂固化后不仅热性能、机械性能和电气性能优异还具有 突出的尺寸稳定性、耐化学药品性、耐湿热性及耐腐蚀性，已广泛用于表面涂料、 结构胶黏剂、印刷电路板、电子绝缘材料及先进复合材料等。
（3）纯环氧树脂材料在120℃发生变形，在220℃变形量达到0.85%，改性碳纤维/
环氧树脂复合材料在160℃未发生明显变形，在220℃变形量仅为0.58%，这表明改
性碳纤维/环氧树脂复合材料的高温尺寸稳定性好。 （4）摩擦磨损实验表明：随着摩擦时间和外加载荷的增加，所有环氧树脂及其复合 材料的磨损量都增加。在加载为20 N，摩擦60 min后，纯环氧树脂的磨损量是10.3 mg，碳纤维/环氧树脂的磨损量是6.2 mg，改性碳纤维/环氧树脂的磨损量是2.7 mg。 这表明在相同载荷下，改性碳纤维/环氧树脂复合材料具有最小的质量损失，其耐磨 性最好。
偶联剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响
图7 偶联剂含量对抗压强度的影响
图8 偶联剂含量对抗弯强度的影响
弯曲断口形貌
环氧树脂弯曲断口的宏观形貌
碳纤环氧树脂弯曲断 口的宏观形貌
高温稳定性曲线
图9 纯环氧树脂在不同温度下的变 形率
图10 碳纤维/环氧树脂在不同温度下 的变形率
2、碳纤维/环氧树脂样品制备：
（1）称取所需质量的碳纤维备用，碳纤维含量分别为5 vol%、10 vol%、15 vol%、20 vol%。将碳纤维在丙酮溶液中超声分散。
（2）称取一定量的环氧树脂，并称取所需要的固化剂质量。
（3）将超声分散好的碳纤维加入用分散剂稀释好的环氧树脂中，用玻璃棒充分搅拌，动作 幅度要小，避免能产生气泡，搅拌均匀后，加入固化剂。倒入模具中常温固化，便于测试其力
本文的研究意义
本文研究在环氧树脂的基体中加入碳纤维，利用碳纤维良好的性能来提高环氧树 脂材料的强度和韧性，本文主要研究碳纤维/环氧树脂基复合材料的固化工艺。观察碳 纤维、改性碳纤维、固化剂含量对碳纤维环氧树脂基复合材料压缩、弯曲的影响。观 察碳纤维/改性碳纤维/环氧树脂基复合材料在高温时的尺寸稳定性。研究碳纤维/改性 碳纤维/环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能。
（3）将一定量的环氧树脂与分散剂混合，然后加入超声分散好的改性碳纤维，最后加入
一定量的固化剂常温等待其固化，将制备好的样品进行力学性能测试。
实验数据曲线
固化剂含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响
图1 固化剂含量对纯环氧树脂抗压强度的影响
图2 固化剂含量对纯环氧树脂抗弯强度的影响
碳纤维含量对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响
实验内容
实验原料
环氧树脂、环氧树脂固化剂、偶联剂、碳纤维、改性碳纤维
实验所需设备
干燥箱、电子天平、环块摩擦试验机、电子万能试样机、体式显微镜
实验过程
1、环氧树脂样品的制备
（1）用天平和烧杯称量一定量的环氧树脂，用一定量分散剂稀释备用。
（2）用烧杯称量所需质量的固化剂（质量分数分别为20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%），倒入环氧树脂烧杯中，均匀搅拌混合样品，常温下固化制得环氧树脂样品。
图3 碳纤维含量对碳纤维/环氧树脂复合材料抗 压强度的影响
图4 碳纤维含量对碳纤维/环氧树脂复合材料抗弯强 度的影响
碳纤维的原始形貌照片
氧化后碳纤维的形貌照片
改性碳纤维含量对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的 影响
图5 改性碳纤维含量对改性碳纤维/环氧树脂材料抗 压强 度的影响
图6 改性碳纤维含量对改性碳纤维/环氧树脂 材料抗弯强度的影响