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    碳纤维复合材料的金相制备

    2024-04-26

    纤维增强复合材料一般是指由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维做为增强材料,以不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂为基体的复合材料。具有密度小、强度高、耐化学腐蚀、电绝缘性能优异以及加工性能好等特点,可用于航空航天、船舶、化工、电子、汽车制造、建筑工程等行业。

    纤维种类、编织方式、纤维表面处理、在树脂中的分散性和长径保留比、纤维含量都影响最终的增强效果。在微观尺度上,复合材料的强度决定于基体材料与增强纤维界面的强度,要实现这一点必须使材料在界面上形成能量的最低结合,即液体与固体之间的润湿。

    因此研究复合材料中纤维和基体界面的组成、结构、控制、性能和改进界面相,是复合材料的基础理论之一。但玻璃纤维和碳纤维具有高强度低伸长,易弯曲脆断等特性,给样品制备带来很大的困难。

    本文以碳纤维增强树脂为例进行样品制备。


    制备步骤

    1.切割

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    因导热性约为金属材料的1/100,并含有硬质的改性氧化物填料等原因造成散热条件差,产生的热与碎屑不易被带走。

    若选用砂轮片切割,因切割片厚度造成的切口损失较大,产生的热量会使树脂融化粘接在砂轮片表面,造成切割困难。

    若用大颗粒的金刚石切割片进行切割又会造成纤维脆性破碎严重,给后续磨抛带来困难。

    切割时推荐使用高速精密切割机 IsoMet High Speed Pro 搭配 15HC 的金刚石切割片进行切割。


    2.镶嵌

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    若基体树脂材料受热不软化不变形,可选用热压镶嵌法进行镶嵌。

    若不清楚基体材料的热性能参数,真空环氧树脂镶嵌无疑是更为明智的选择。

    树脂可选择 EpoxiCure 2,此款树脂粘度低流动性好、收缩率极低,6 小时左右即可固化。


    3.研磨&抛光

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    本实验使用标乐 AutoMet 250 Pro 半自动磨抛机,因其压力载荷可控,并可实现多个样品同时制备,可极大提高样品制备的重复性,采用步骤如下:

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    使用大粒号的砂纸在去除损伤的同时会造成新的损伤,因碳化硅颗粒较锋利,纤维在承受剪切力时易脆断,即使长时间研磨也无法得到平整无损伤的表面,如下图所示,使用两张P400研磨8分钟后,纤维表面破碎情况未有任何改观。

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    P400 砂纸研磨8分钟

    因此建议P400砂纸研磨两分钟,将切割造成的树脂损伤去掉即可。

    标乐的UltraPad抛光布是硬编织的无绒毛布,配合使用9μm金刚石悬浮液,可在保持较高去除速率的同时?;ぬ枷宋槐凰鹕似扑?,需要增加抛光时间至约3分钟直到将损伤全部去除,下图所示为抛光3分钟后纤维形貌。

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    9μm金刚石悬浮液抛光3分钟

    接着用中等硬度的合成丝质布VerduTex配合3μm抛光液抛光2分钟将9μm悬浮液产生的划痕进一步去除。

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    3μm金刚石悬浮液抛光2分钟

    最终使用人工合成多孔橡胶ChemoMet抛光布配合0.05μm氧化铝悬浮液,可得到无划痕,纤维形貌保持良好的最终表面。

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    0.05μm氧化铝悬浮液抛光1min30s


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