殷希 黄瑶瑶
国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心
摘要：浅谈我国三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料特性研究
关键词：浅谈我国三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料特性研究
【摘要】近年来，有关长碳纤维增强聚合物基复合材料的力学性能如摩擦、压缩、拉伸、扭转和疲劳等方面的研究相对较多，但是关于三维编织复合材料磨损性能及其湿热条件下的吸湿行为的研究相对较少。C3D/EP的磨损性与吸湿性是其重要特性，对其研究具有十分重要的理论价值与现实意义。三维编织碳纤维环氧树脂复合材料（C3D/EP）是由环氧树脂的基体与四步 1×1 法编织而成的增强体复合在一起而组成，此材料的整体强度有了显著的加强。复合材料在航空航天、民用装备以及化学工艺等领域的应用越来越广泛，一般应用在一些复杂与严酷的环境，因此其具有特定的制作过程与应用背景，本文对其编织与成型工艺进行了讨论，并分析了其磨损性与吸湿性。本文主要介绍了碳纤维增强树脂基复合材料，分析了三维编织碳纤维的编织技术与成型工艺，并对三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料的磨损性与吸湿性进行了详细地讨论。
【关键词】三维编织碳纤维；复合材料；磨损性；吸湿性
一、引言:
三维编织碳纤维环氧树脂复合材料（C3D/EP）是由环氧树脂的基体与四步 1×1 法编织而成的增强体复合在一起而组成，此材料的整体强度有了显著的加强。复合材料在航空航天、民用装备以及化学工艺等领域的应用越来越广泛，一般应用在一些复杂与严酷的环境，因此其具有特定的制作过程与应用背景，本文对其编织与成型工艺进行了讨论，并分析了其磨损性与吸湿性。
二、碳纤维增强树脂基复合材料
（一）树脂基体与碳纤维
在树脂基复合材料中起粘结作用的是主要是树脂基体，树脂基体与增强材料一起构成复合材料。树脂的性能一般会直接影响复合材料的各项性能与加工工艺性能。碳纤维复合材料的性能伴随着碳纤维性能的不断提高和拓展而提高，所以碳纤维对于复合材料的优越性能是非常重要的。碳纤维由碳化有机纤维经过阶段性的热处理制成，其具有耐高温、抗拉强度高、弹性模量大且质量很轻的特点。
（二）C3D/EP
利用三维编织技术进行复合材料的制作，在保持材料整体性的同时又弥补了层合板复合材料层间强度与刚度不能满足需要带来的缺陷，从而很明显地提高了材料的整体强度、刚度与综合性能。先进复合材料可以根据需要自由设计性能，且其强度与模量高，这种优越的性能使其在航空航天与武器装备等的主体结构之中得到了广泛的应用，很大程度上促进了结构的轻量化与小型化，从而大大地提高了性能。在复合材料的使用中，三维编织纤维作为增强体的整体结构材料，能够大大提高抗冲击损伤性能，增强其厚度方向强度，为先进复合材料开拓了新的应用领。近年来编织结构的复合材料在很多高科技领域已经得到了广泛的应用，如汽车结构、体育道具、工业装备以及国防领域等。
三、C3D/EP工艺
（一）C3D/EP编织工艺
C3D/EP的编织工艺有多种方法，主要有四步法、二步法、多层联结编织法以及多步法等，目前使用最普遍的两种方法是四步法与二步法。在材料的编织过程中，其可十分准确地在平面上沿着提前设定的轨迹移动，从而使各纤维能够相互交叉与交织，进而构成网络状结构，最后则是打紧交织面，从而构成多种类型的增强结构的三维结构。
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（二）C3D/EP成型工艺
编织结构复合材料的成型工艺主要包括RTM工艺、热塑性树脂基体编织复合材料法与真空浸渍法等。目前比较常用的是RTM 工艺和真空浸渍法。RTM 工艺过程是把预成型的增强体放在密封的模具中，在真空条件下树脂被放入模腔从而凝固成型。真空浸渍法是在真空状态下，使纤维编织物沉于树脂中浸渍从而固化成型的一种工艺，其主要适用于制造体积与尺寸精度要求不高的制作。
四、C3D/EP重要特性研究
（一）C3D/EP磨损性研究
碳纤维是C3D/EP最常用的增强材料，其具有质量轻、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀的特性。采用RTM工艺制备C3D/EP，研究C3D/EP的磨损特性，现总结如下：
（1）C3D/EP需要长时间的磨合期，至少需要30分钟后才能进入比较稳定的磨损阶段。
（2）C3D/EP的复合材料的摩擦因数和磨损率一直降低，滑动速度增加可以使磨损率降低。
（3）C3D/EP的磨损特性与磨损条件有一定的关系，低速低载C3D/EP磨损特性以疲劳为主，高速高载时主要为黏着磨损。
（二）C3D/EP吸湿性研究
吸湿性对应用日益广泛的三维编织复合材料来说具有十分重要的作用，对无论长与短的纤维复合材料的研究都表明，在使用和储存复合材料过程中都会造成其性能发生一定程度的变化，这是由于湿热环境的影响。对吸湿行为以及力学性能的稳定性的研究具有重要的现实意义，聚合物复合材料的吸湿过程包括基体吸湿和界面吸湿两个过程，基体吸湿会导致新孔隙和裂纹的产生，水分子进入孔隙、裂纹等缺陷形成的孔洞或者基体内的自由空间。水分子扩散不仅会在毛细作用下沿界面快速渗透并扩散，还会进入基体，从而与界面上的极性基团组成氢键和范德华键，进而破坏纤维与基体间的化学键作用。以上这些都会减弱界面的粘结作用最终导致脱粘并形成界面孔隙，使界面之间的粘度和强度减弱，这些已被广泛证实。其主要结论为：
（1）与基体环氧树脂不同，C3D/EP的吸水行为有自身的特点，其不能用 Fick 扩散定律进行原理上的解释。
（2）吸湿过程中C3D/EP复合材料力学性能不同，其高低主要是由吸湿率的大小所决定的，比起加应力的C3D/EP复合材料，未加应力的在吸湿初期力学性能的下降速率低，后期则恰恰相反；此外，加应力复合材料的力学性能发生变化时，其变化值将会高于未加应力的复合材料。
五、结语：
C3D/EP是近期发展起来的一种新型高性能复合材料。近年来，有关长碳纤维增强聚合物基复合材料的力学性能如摩擦、压缩、拉伸、扭转和疲劳等方面的研究相对较多，但是关于三维编织复合材料磨损性能及其湿热条件下的吸湿行为的研究相对较少。C3D/EP的磨损性与吸湿性是其重要特性，对其研究具有十分重要的理论价值与现实意义。
参考文献：
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[3] 胡可文，罗贤，杨延清. 纤维增强金属基复合材料中轴向热残余应力分析.材料热处理技术. 2017，9:64-67
论文作者:殷希 黄瑶瑶
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/19
标签：复合材料论文; 碳纤维论文; 基体论文; 磨损性论文; 吸湿性论文; 性能论文; 工艺论文; 《中国西部科技》2019年第12期论文;