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碳纖維復(fù)合材料的金相制備
2024-04-26
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般是指由玻璃纖維、碳纖維、硼纖維做為增強(qiáng)材料，以不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料。具有密度小、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性能優(yōu)異以及加工性能好等特點(diǎn)，可用于航空航天、船舶、化工、電子、汽車(chē)制造、建筑工程等行業(yè)。
纖維種類(lèi)、編織方式、纖維表面處理、在樹(shù)脂中的分散性和長(zhǎng)徑保留比、纖維含量都影響最終的增強(qiáng)效果。在微觀尺度上，復(fù)合材料的強(qiáng)度決定于基體材料與增強(qiáng)纖維界面的強(qiáng)度，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)必須使材料在界面上形成能量的最低結(jié)合，即液體與固體之間的潤(rùn)濕。
因此研究復(fù)合材料中纖維和基體界面的組成、結(jié)構(gòu)、控制、性能和改進(jìn)界面相，是復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論之一。但玻璃纖維和碳纖維具有高強(qiáng)度低伸長(zhǎng)，易彎曲脆斷等特性，給樣品制備帶來(lái)很大的困難。
本文以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂為例進(jìn)行樣品制備。
制備步驟
1.切割
因?qū)嵝约s為金屬材料的1/100，并含有硬質(zhì)的改性氧化物填料等原因造成散熱條件差，產(chǎn)生的熱與碎屑不易被帶走。
若選用砂輪片切割，因切割片厚度造成的切口損失較大，產(chǎn)生的熱量會(huì)使樹(shù)脂融化粘接在砂輪片表面，造成切割困難。
若用大顆粒的金剛石切割片進(jìn)行切割又會(huì)造成纖維脆性破碎嚴(yán)重，給后續(xù)磨拋帶來(lái)困難。
切割時(shí)推薦使用高速精密切割機(jī) IsoMet High Speed Pro 搭配 15HC 的金剛石切割片進(jìn)行切割。
2.鑲嵌
若基體樹(shù)脂材料受熱不軟化不變形，可選用熱壓鑲嵌法進(jìn)行鑲嵌。
若不清楚基體材料的熱性能參數(shù)，真空環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌無(wú)疑是更為明智的選擇。
樹(shù)脂可選擇 EpoxiCure 2，此款樹(shù)脂粘度低流動(dòng)性好、收縮率極低，6 小時(shí)左右即可固化。
3.研磨&拋光
本實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)樂(lè) AutoMet 250 Pro 半自動(dòng)磨拋機(jī)，因其壓力載荷可控，并可實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣品同時(shí)制備，可極大提高樣品制備的重復(fù)性，采用步驟如下：
使用大粒號(hào)的砂紙?jiān)谌コ龘p傷的同時(shí)會(huì)造成新的損傷，因碳化硅顆粒較鋒利，纖維在承受剪切力時(shí)易脆斷，即使長(zhǎng)時(shí)間研磨也無(wú)法得到平整無(wú)損傷的表面，如下圖所示，使用兩張P400研磨8分鐘后，纖維表面破碎情況未有任何改觀。
P400 砂紙研磨8分鐘
因此建議P400砂紙研磨兩分鐘，將切割造成的樹(shù)脂損傷去掉即可。
標(biāo)樂(lè)的UltraPad拋光布是硬編織的無(wú)絨毛布，配合使用9μm金剛石懸浮液，可在保持較高去除速率的同時(shí)保護(hù)碳纖維不被損傷破碎，需要增加拋光時(shí)間至約3分鐘直到將損傷全部去除，下圖所示為拋光3分鐘后纖維形貌。
9μm金剛石懸浮液拋光3分鐘
接著用中等硬度的合成絲質(zhì)布VerduTex配合3μm拋光液拋光2分鐘將9μm懸浮液產(chǎn)生的劃痕進(jìn)一步去除。
3μm金剛石懸浮液拋光2分鐘
最終使用人工合成多孔橡膠ChemoMet拋光布配合0.05μm氧化鋁懸浮液，可得到無(wú)劃痕，纖維形貌保持良好的最終表面。
0.05μm氧化鋁懸浮液拋光1min30s
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