1.介紹

碳纖維預(yù)浸料被廣泛用于制造各種航空結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)組件。在模具中固化預(yù)浸料后，通常通過(guò)裁剪來(lái)使組件成型。由于飛機(jī)表面積巨大并且每個(gè)組件中都使用的多層預(yù)浸料，大量的碳纖維預(yù)浸料因此被丟棄。而碳纖維的獨(dú)特特性使得這些廢料具有很高的價(jià)值，需要對(duì)其進(jìn)行有效回收。

在本次實(shí)驗(yàn)中，先將固化的廢碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行粉碎處理，這些切碎的碳纖維將用于新型復(fù)合材料開(kāi)發(fā)。復(fù)合材料中使用的基體材料選用從舊外科口罩中回收的聚丙烯，這凸顯了所開(kāi)發(fā)復(fù)合材料的可持續(xù)性。為了提升纖維-基體界面的質(zhì)量并增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能，實(shí)驗(yàn)少量添加了酸酐接枝聚丙烯（凡事邦Fusabond）。從機(jī)械表征來(lái)看，填料之間有協(xié)同效應(yīng)。而且，含有碳纖維和凡事邦的組合物比純基體具有更好的抗沖擊性。此外，纖維橋接、纖維拔出和基體塑性變形等不同的機(jī)械作用增加了基體的斷裂韌性，這一點(diǎn)可以通過(guò)電子顯微鏡掃描斷口得到確認(rèn)。通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析后，熱力學(xué)性能表征表明了碳纖維提高了純基體的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。通過(guò)最優(yōu)化研究得出的最理想的復(fù)合組成，這樣開(kāi)發(fā)出來(lái)的材料擬用于汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)的內(nèi)擋泥板襯里中。

2.1材料

在這項(xiàng)研究中使用的基體材料是來(lái)自一次性口罩的回收聚丙烯，由土耳其的Ersem Plastik?公司提供。在之前的研究中已經(jīng)詳細(xì)描述了從一次性口罩中獲取rPP顆粒的過(guò)程。顆粒的平均粒徑被確定為四到五毫米之間。根據(jù)制造商提供的說(shuō)明，rPP具有以下特性：密度為0.99 g/cm3；熔點(diǎn)為130℃。此外，rPP的制造商還對(duì)顆粒的熔體流動(dòng)指數(shù)（MFI）進(jìn)行了評(píng)估。該測(cè)試按照BS EN ISO 1133-1:2011標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，使用的材料質(zhì)量為2.16公斤，溫度為230℃。測(cè)量的MFI值為37.6 g/m。

使用的增強(qiáng)材料是Kordsa? AR-MGBF-0310，這是一種碳纖維預(yù)浸料，固化成單層薄板之后被切割成平均長(zhǎng)度為1-3毫米的短碳纖維（如圖1所示）。此外，值得注意的是，每根纖維的初始直徑為6微米。然而，在切割固化薄板之后，能夠觀察到某些纖維聚集在了一起，平均束直徑可達(dá)到181±30微米。

這項(xiàng)工作的主要目標(biāo)之一是制定在經(jīng)濟(jì)上切實(shí)可行的復(fù)合材料。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，選擇了擠壓做為制造方法，并使用雙螺桿擠壓機(jī)以確保添加物可以均勻分布。使用的擠壓機(jī)為一臺(tái)直徑為25毫米、長(zhǎng)徑比為32的雙螺桿擠出機(jī)（MimTek?）。擠壓機(jī)的溫度從進(jìn)料口到出料口按順序系統(tǒng)地調(diào)整，相應(yīng)的調(diào)整溫度分別為155°C、160°C、165°C和170°C。在冷卻儲(chǔ)槽中凝固后，連續(xù)的纖維通過(guò)旋轉(zhuǎn)切割器切割為顆粒。

當(dāng)碳纖維含量在30 wt%以內(nèi)時(shí)，制造過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。然而，當(dāng)進(jìn)行超過(guò)30%的碳纖維含量的擠壓研究時(shí)，擠壓機(jī)出現(xiàn)了堵塞。此外，當(dāng)暴露于高含量的碳纖維（大于30 wt%）時(shí)，從擠出機(jī)輸出的熔融聚合物顯示出過(guò)度的脆性。另外，熔體流動(dòng)指數(shù)（MFI）是確定雙螺桿擠壓可行性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于聚丙烯與碳纖維碎粒的混合物，標(biāo)準(zhǔn)的MFI建議值為10–30 MFI。然而，這可能會(huì)根據(jù)纖維含量、纖維長(zhǎng)度和所需最終產(chǎn)品的質(zhì)量而有所不同。混合物中碳纖維碎粒的含量會(huì)影響材料的粘度，為了獲得最佳的加工性能，較高的纖維含量通常也需要較高的MFI值。而且較長(zhǎng)的碳纖維碎粒對(duì)粘度的影響可能比較短的纖維更大。

該研究專注于調(diào)查增強(qiáng)材料及其組成對(duì)機(jī)械特性的影響。為此目的所確定的復(fù)合材料組成如表1所示。在表1中，rPP用作對(duì)照案例，“P”字母代表rPP基體，而“E”字母表示用于復(fù)合材料制造的表面改性劑Fusabond E216。“C”代表碳纖維碎粒。對(duì)于增強(qiáng)材料和表面改性劑，緊接所述字母后的數(shù)字顯示了復(fù)合物組中使用的改性劑或增強(qiáng)材料的重量百分比。所有復(fù)合材料組都使用rPP作為基體材料。

采用擠壓方法制備復(fù)合化合物，然后通過(guò)注射成型生產(chǎn)測(cè)試樣品。這里使用的是Engel, SpexVictory 80型注射機(jī)，這臺(tái)機(jī)器是遵循的ISO 294標(biāo)準(zhǔn)，使用的是500 kN的閉合壓力。加熱區(qū)和噴嘴區(qū)域的溫度設(shè)定為190–200–210–220°C，注射壓力設(shè)定為80 bar。模具表面的溫度已調(diào)整至25°C。圖2展示了用于機(jī)械表征的測(cè)試樣品及其尺寸。

密度最初是通過(guò)比重計(jì)測(cè)量的，復(fù)合材料的硬度是通過(guò)Shore D硬度測(cè)試儀評(píng)估的。機(jī)械特性隨后通過(guò)拉伸、夏比沖擊和斷裂韌性測(cè)試進(jìn)行表征。拉伸測(cè)試是使用Shimadzu AG-x 50 kN測(cè)試設(shè)備按照ISO 527標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，橫梁速度為5 mm/min。夏比測(cè)試是在有缺口的試樣上使用Devotrans夏比測(cè)試儀按照ISO 179標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。斷裂韌性測(cè)試是依據(jù)ASTM D5045標(biāo)準(zhǔn)，在單邊階型梁（SENB）試樣上使用與拉伸測(cè)試相同的測(cè)試儀進(jìn)行的。所有試樣組在沒(méi)有觀察到任何無(wú)彈性或塑性變形的跡象的情況下都表現(xiàn)出了脆性破壞。斷裂韌性是通過(guò)等式（1）和（2）確定的。

SENB試樣通過(guò)測(cè)試來(lái)確定KIc，即模式I斷裂韌性。KIc是通過(guò)等式（1）計(jì)算的：

“a”代表總切口長(zhǎng)度，“B”表示樣本的厚度，“W”代表寬度，而“F”表示從載荷-伸長(zhǎng)軌跡中得到的最大力。方程(2)將幾何校正系數(shù)f(x)表達(dá)如下：

根據(jù)力學(xué)表征來(lái)看，使用Tescan Vega 3電子顯微鏡對(duì)失效的樣本進(jìn)行了SEM斷面分析。在力學(xué)測(cè)試之后，使用TA公司的動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀Q800系統(tǒng)對(duì)制造復(fù)合材料的熱機(jī)械特性，儲(chǔ)能模數(shù)（E'），損耗模數(shù)（E"），和機(jī)械損耗角度（tan δ）進(jìn)行了評(píng)估。

這些發(fā)現(xiàn)是在頻率為1 Hz，拉力為0.1%，加熱速率為1°C/min的雙懸臂彎曲模式下獲得的。這個(gè)模式的整個(gè)過(guò)程溫度范圍為20°C至120°C。被檢查的樣本具有以下尺寸：寬度13 mm，長(zhǎng)度35 mm，厚度1.53 mm。

為了調(diào)查碳纖維碎粒和凡事邦（Fusabond）混合加在純基體中的影響，本次研究設(shè)計(jì)了多種復(fù)合組合物，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征。拉伸測(cè)試表明，添加30 wt%的碳纖維使彈性模數(shù)增加了400%，拉伸強(qiáng)度增加了30%。相比之下，碳纖維使復(fù)合材料變得更脆，而凡是幫（Fusabond）在混合組合物中減輕了這種影響。此外，填充劑在機(jī)械性能上表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，這可能歸因于界面質(zhì)量的改善。混合了20 wt%的碳纖維使復(fù)合材料的能量吸收能力翻倍，在加入3 wt%的凡是幫（Fusabond）后能量吸收能力又增強(qiáng)了40%。碳纖維的添加使斷裂韌性比純基體提高了高達(dá)16%，而凡是幫（Fusabond）使其降低了15%-18%。通過(guò)分析電子顯微鏡掃描分析顯示，增韌機(jī)制包括纖維橋接、纖維拔出和基體的局部塑性變形。 DMA的發(fā)現(xiàn)表明，向純基體中添加碳纖維會(huì)導(dǎo)致其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度顯著增加。根據(jù)具體的組合物的不同，溫度范圍是從12°C到16°C。這反過(guò)來(lái)也擴(kuò)大了復(fù)合材料潛在應(yīng)用的范圍。

最優(yōu)化研究產(chǎn)生了兩種組合物，其包含物的質(zhì)量和單價(jià)數(shù)據(jù)用來(lái)計(jì)算乘車(chē)內(nèi)部擋泥板的大致材料成本。結(jié)果表明這對(duì)于指定的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)似乎是令人鼓舞的。這項(xiàng)調(diào)查是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模內(nèi)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的一些變化可能是由于制造程序造成的。使用更復(fù)雜的工業(yè)規(guī)模制造技術(shù)可以解決這些差異并增加項(xiàng)目的工業(yè)價(jià)值。

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