摘要：选用三种RTM 工艺成型的环氧树脂系统分别对碳纤维进行滋润，并制备了自行车架用碳纤维复合资料。选用克己滋润度调查仪，粘度、外表张力和力学功能测验以及红外光谱和扫描电镜剖析研讨了不同环氧系统对碳纤维的滋润性。成果标明：粘度低的AF-802 环氧树脂系统对碳纤维的滋润性*佳，*大滋润高度为28.41 mm;环氧树脂系统对含上浆剂碳纤维的滋润功能优于无上浆剂的碳纤维。滋润性改善有益于碳纤维复合资料曲折强度进步，发挥碳纤维车架的全体效能，进步整车安全性。

　　关键词：碳纤维;环氧树脂;滋润;曲折强度;自行车架

　　中图分类号：TQ323.5 文献标识码：A 文章编号：1002 - 7432(2015)01-0044-06

　　0· 导言21 世纪以来，跟着碳纤维技能和自行车运动的快速开展，碳纤维自行车不只成为高级运动自行车的开展方向，也是大众化自行车产品寻求的新热门，可以促进国内外学者对碳纤维自行车架制作工艺的深入研讨和立异规划[1，2]。

　　碳纤维复合资料的功能取决于结构规划、组分功能和复合资料的成型工艺，直接影响碳纤维自行车架的全体效能。碳纤维自行车架的成型工艺由手糊成型过渡到树脂传递模塑(RTM)成型，成型工艺的改善进步了碳纤维自行车架的出产质量和效率，但对树脂的挑选要求更严厉[3]。RTM 工艺要求树脂活性高，凝胶时刻和固化时刻短，但又能满意打针树脂操作时刻的要求。因此，在RTM 成型进程中，树脂与纤维之间快速并杰出滋润显得尤为重要，影响复合资料的界面功能。界面是树脂基体与纤维增强体之间载荷传递的桥梁，对复合资料的力学功能起着至关重要的效果[4，5]。树脂基体与纤维增强体的杰出滋润是取得高质量复合资料界面的首要前提，也是工艺选材*直接的根据[6，7]。研讨自行车架用碳纤维/树脂的滋润功能有益于快速挑选与之相匹配的树脂基体，制备高质量碳纤维复合资料。

　　树脂对纤维的滋润功能是一个重要的研讨课题，学者在该范畴进行了很多研讨工作[8~10]，首要集中在经过测验树脂对纤维的滋润功能或测定树脂对纤维束接触角的办法，表征树脂对纤维滋润功能的改变并树立化学流变模型，但树脂对纤维的滋润功能与其对应的复合资料功能之间的联系没有评论。张佐光[11]等人研讨了不同要素对滋润功能影响的规则，标明上浆剂有利于改善树脂对纤维的滋润功能，但对上浆剂影响滋润功能的实质没有做进一步研讨。

　　本文对RTM 工艺制备自行车架选用的3 种环氧树脂系统与碳纤维的滋润功能进行研讨，比较上浆和无上浆碳纤维与环氧树脂的滋润功能，制备相应的环氧树脂浇注体和碳纤维复合资料并测验力学功能。经过粘度和外表张力剖析环氧树脂系统对碳纤维的滋润功能，使用傅里叶变换红外光谱剖析上浆处理前后的改变，选用扫描电子显微镜调查碳纤维复合资料的断面描摹，剖析3 种环氧树脂和碳纤维的滋润功能和界面功能。本研讨提出自行车架碳纤维*适合的RTM 工艺用环氧树脂，说明碳纤维上浆剂对滋润功能影响的实质原因，结合碳纤维复合资料的力学功能测验讨论自行车架用碳纤维与环氧树脂的滋润功能对复合资料功能的影响。

　　1 ·试验部分

　　1.1 原资料

　　双酚A 和双酚F 混合型环氧树脂AF-801R;环氧值0.57，固化剂AF-801H(脂肪族胺类)，环氧树脂与固化剂混合后粘度为467 mPa·s;双酚A型环氧树脂AF-802R：环氧值0.42，固化剂AF-802H(芳香族胺类)，环氧树脂与固化剂混合后粘度为382 mPa·s;双酚A 型环氧树脂AF-803R：环氧值0.53，固化剂AF-803H(酸酐类)，环氧树脂与固化剂混合后粘度为571 mPa·s，以上均为无锡安飞纤维资料科技有限公司。

　　1.2 仪器和设备

　　数显式旋转粘度计，类型：NDJ-79A，丈量误差：±2%，丈量规模：1 ~ 106 mPa·s;微机操控电子全能试验机，类型CMT5105，*大负荷100 kN，准确度等级：0.5 级，深圳市新三思计量技能有限公司;外表张力仪，类型：DCAT21，丈量规模：1～1 000 mN/m， 精度等级： ±0.001 mN/m， 德国Dataphysics 仪器股份有限公司;傅里叶红外光谱仪，类型Nexus670：测验规模500~4 000 cm-1，美国热电集团Nicolet 公司;滋润度调查仪(克己)，见图1。

　　1.3 试样制备

　　将碳纤维置于105 ℃干燥箱中烘干2 h，备用。对碳纤维外表进行上浆处理，上浆剂质量分数为1.10%。

　　分别将m(环氧树脂AF-801R)∶ m(固化剂AF-801H)为100 ∶ 28、m(环氧树脂AF-802R)∶ m(与固化剂AF-802H)为100 ∶ 21、m(环氧树脂AF-803R)∶ m(固化剂AF-803H)为100 ∶ 25 混合拌和均匀，抽真空脱泡浇注后，选用雕刻机依照试样规范尺度：120 mm × 15 mm × 6 mm 进行加工，用于测验环氧树脂基体的曲折强度。

　　将韩氏碳纤维织物依照0°/90°方向进行叠放铺层，共6 层，用于真空袋辅佐成型。坚持真空袋内真空压-0.1 MPa，在25 ℃下将环氧树脂系统导入真空袋滋润碳纤维层，滋润彻底待出胶口稳定流出树脂胶液，夹紧进、出胶管，选用垫片操控样品厚度为2 mm，将金属模具用螺栓拧紧。固化工艺为：AF-801 环氧树脂系统固化25 ℃/48 h，AF-802 环氧树脂系统固化90 ℃/4 h，AF-803 环氧树脂系统固化150 ℃/2 h。参照GB/T 1446—2005《纤维增强塑料试验办法总则》将碳纤维复合资料切开加工成规范试样，测验曲折强度的试样尺度为80 mm × 15mm × 2 mm，测验剪切强度的试样尺度为20 mm ×10 mm × 2 mm。

　　1.4 功能测验与剖析办法

　　滋润度测验：选用如图1 所示装置图，进行碳纤维的滋润度试验。

　　

 

　　首先用双面胶带把碳纤维束固定在刻度尺上，将环氧树脂和固化剂按份额混合拌和均匀，真空脱泡后倒入玻璃烧杯中。敞开恒温水浴槽并设定水浴恒温(25±0.1)℃，然后将碳纤维束结尾浸入环氧树脂系统液面以下5 mm 处，碳纤维束由碳纤维单丝集束而成，构成很多毛细管通道，环氧树脂系统在毛细压力驱动下沿着毛细管通道敏捷上升，并潮湿碳纤维外表，此刻敞开数码电子显微镜记载环氧树脂胶液在碳纤维束中上升进程的影像。经过图像处理后，读取相应时刻环氧树脂胶液在刻度尺上对应的刻度值，得到滋润高度和滋润时刻的联系来表征环氧树脂系统对碳纤维的滋润度。

　　环氧树脂系统粘度，参照GB/T 22314—2008《塑料环氧树脂粘度测定办法》进行测验;环氧树脂系统凝胶时刻，参照GB/T l2007.7—1989《环氧树脂凝胶时刻测定办法》进行测验;碳纤维复合资料曲折强度，参照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料曲折功能试验办法》进行测验，剪切强度参照JC/T 773—2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》进行测验。

　　选用Wilhelmy 吊片法使用DCAT21 型外表张力仪丈量3 种不同环氧树脂系统的外表张力;取1.00 mg 样品经过KBr 压片法，选用美国热电集团Nexus 670 型红外光谱仪测验;选用A005+数码电子显微镜进行碳纤维外表上浆处理前后的调查;取厚度为2 mm 碳纤维复合资料曲折功能试验开裂样品，选用德国蔡司ULTRA55 热场发射扫描电子显微镜进行截面调查。

　　2· 试验成果

　　2.1 环氧树脂与碳纤维的滋润功能剖析

　　复合资料的界面是影响复合资料功能的决议性要素，取得**界面的首要问题是树脂与纤维**的滋润功能。碳纤维外表含有上浆剂保护膜，使纤维集束改善其加工功能，上浆剂会影响碳纤维与环氧树脂的滋润功能。25 ℃ 3 种不同环氧树脂系统的功能剖析见表1。

　　

 

　　试验标明，3 种RTM 工艺用环氧树脂系统与碳纤维的滋润功能，它们均具有低粘度和邻近的凝胶时刻，满意试验制备碳纤维复合资料的工艺要求，即粘度< 800 mPa·s，凝胶时刻> 90 min。环氧树脂系统的粘度和外表张力是影响环氧树脂系统活动功能的重要要素，环氧树脂系统的活动功能决议环氧树脂系统对碳纤维的滋润功能。结合环氧树脂系统的粘度和外表张力剖析3 种环氧树脂系统对碳纤维滋润功能的影响，选用红外图谱表征碳纤维上浆剂成分，剖析上浆剂对碳纤维滋润功能影响的实质原因。

　　2.1.1 环氧树脂系统对碳纤维的滋润功能的影响

　　在25 ℃条件下，选用克己碳纤维滋润度观测仪对上浆碳纤维在3 种环氧树脂系统的滋润高度与滋润时刻的改变进行测定，见图2 所示。

　　

 

　　可以看出，跟着时刻的添加，环氧树脂系统对碳纤维的滋润速度逐步减慢，在90 min 后开端趋于平缓。在90 min 时，AF-802 环氧树脂系统滋润高度为28.41 mm，远高于其他2 种环氧树脂系统对碳纤维的滋润高度;这说明AF-802 环氧树脂系统对碳纤维的滋润性*好。

　　按份额将环氧树脂与固化剂混合均匀，3 种不同环氧树脂系统25 ℃时等温粘度曲线见图3。

　　

 

　　由图3 可以看出，跟着时刻的添加，环氧树脂系统的粘度不断添加，这说明环氧树脂与固化剂发作化学交联反响，阻止了分子链间的运动，环氧树脂系统活动性下降，开端凝胶，而环氧树脂发作凝胶后构成了三维网状结构，然后阻止了环氧树脂分子链的活动，凝胶后的环氧树脂的粘度添加也导致了环氧树脂系统活动性下降。而粘度曲线上升斜率增大，标明环氧树脂系统反响速率的添加。

　　影响环氧树脂系统对碳纤维束滋润功能首要要素为：碳纤维束的毛细管通道和环氧树脂系统在碳纤维外表的主动铺展。

　　碳纤维束是由碳纤维单丝集束而构成的，所以碳纤维束中的碳纤维单丝之间构成了很多的毛细管通道，然后影响环氧树脂系统滋润性的重要要素。环氧树脂系统与碳纤维束外表成凸形，此刻环氧树脂系统所遭到的实践附加压力要高于平面的水平附加压力，在附加压力驱动下环氧树脂系统沿毛细管通道产生毛细活动，所以环氧树脂系统在滋润时促进环氧树脂系统滋润碳纤维束。环氧树脂系统的外表张力影响着环氧树脂在毛细管通道中的活动，外表张力越大，毛细活动效果越好，对碳纤维的滋润性越好。环氧树脂系统的粘度影响环氧树脂系统在碳纤维外表的主动铺展，粘度越大活动阻力越大，对碳纤维的滋润性越差。

　　3 种不同环氧树脂系统在滋润进程中发作化学交联反响，环氧树脂的粘度添加，活动阻力增大，阻止了环氧树脂系统对碳纤维的滋润，3 种不同环氧树脂系统外表张力见表2。

　　

 

　　AF-803 环氧树脂系统外表张力为36.71 mN/m，为三者*小，其毛细活动效果*差，对碳纤维的滋润性*差。试验标明，在反响初期AF-802 环氧树脂系统粘度*低，树脂的活动阻力*小，外表张力为41.36 mN/m，为三者*大，所以AF-802 环氧树脂对碳纤维滋润速率*大;跟着反响的进行，环氧树脂系统粘度逐步增大，反响进行50 min 后，AF-802 环氧树脂系统粘度超越AF-803 环氧树脂系统，此刻环氧树脂系统对碳纤维的滋润功能影响缓慢，试验标明起决议效果的是环氧树脂系统前期的粘度和外表张力。综上所述，AF-802 环氧树脂系统对碳纤维的滋润性*佳。

　　2.1.2 上浆剂对碳纤维滋润功能的影响

　　AF-802 环氧树脂系统在25 ℃时对上浆和无上浆碳纤维的滋润高度与滋润时刻的联系见图4。由图4 可以看出，AF-802 环氧树脂系统对无上浆碳纤维的滋润高度为17.75 mm，对上浆碳纤维滋润高度为28.41 mm。这标明AF-802 环氧树脂系统对含上浆剂的碳纤维滋润性更好。碳纤维外表上浆剂是具有多种添加剂的混合物的FT-IR 图谱见图5。

　　

 

　　

 

　　图5 显现上浆剂在3 419 cm-1 邻近有—OH 基团的弹性振荡吸收峰，在1 113 cm-1 邻近有C—O—C 基团的弹性振荡吸收峰，上浆处理添加了碳纤维外表的含氧官能团，而环氧树脂分子链中存在固有极性羟基和醚键，环氧树脂与碳纤维外表的含氧官能团发作反响构成氢键。所以碳纤维外表上浆剂的存在添加了与环氧树脂的相容性。

　　无上浆和上浆碳纤维束扩大图见图6。上浆处理的碳纤维比较无上浆处理的碳纤维，碳纤维的集束性好，纤维摆放规整，单丝空隙减小，因此毛细活动的等效毛细管半径减小，弯月面附加压力添加，环氧树脂对碳纤维的滋润性进步，滋润高度增大。

　　

 

　　2.2 环氧树脂/ 碳纤维复合资料的力学功能

　　环氧树脂基体对碳纤维的滋润性决议碳纤维复合资料的力学功能。滋润功能越好，树脂与纤维界面结合强度越好，可以有用传递载荷，进步碳纤维复合资料的力学功能。3 点曲折法丈量曲折强度是直接反映复合资料界面结合强度的宏观测验办法，复合资料的剪切强度用来评价树脂对纤维的滋润功能。不同环氧树脂系统碳纤维复合资料力学功能见表3。

　　

 

　　表3 显现：AF-803 环氧树脂系统浇注体曲折强度*大，AF-802 环氧树脂系统碳纤维复合资料曲折强度*大，曲折强度增强倍率也*大，增强倍率为5.21。AF-802 环氧树脂系统碳纤维复合资料剪切强度*大。

　　对3 种不同环氧树脂系统复合资料曲折试样损坏后的断面进行SEM 剖析，见图7 所示。

　　

 

　　从图7(a)和图7(c)中可以看出AF801 和AF803 环氧树脂系统复合资料断面都存在不同程度的纤维拨出现象，拨出后的碳纤维在基体中残留有深的隧洞，基体与纤维开裂严峻;图7(b)标明AF802 环氧树脂系统复合资料的损坏断面规整，纤维与树脂一起开裂，简直无纤维拨出现象，这种损坏形式可以充分发挥树脂基体与增强纤维的和谐效果，因此在开裂进程中吸收能量较多，然后进步了复合资料的强度。

　　综上所述，滋润功能试验和SEM 剖析可以得到：AF-802 环氧树脂系统具有较低粘度和较高外表张力，在凝胶进程中系统粘度添加缓慢，对碳纤维具有*佳的滋润功能。因此，在真空树脂传递成型工艺进程中可以均匀浸透在碳纤维外表，充溢纤维空隙构成机械铰合，取得**的界面。当复合资料遭到外力效果，环氧树脂与碳纤维之间的界面起到桥梁效果有用传递基体和增强资料之间的载荷，表现出碳纤维与环氧树脂一起开裂，可以吸收更多的能量，然后复合资料的力学功能得到进步。

　　3 ·定论

　　1)选用克己碳纤维滋润度调查仪测验成果显现：AF-802 环氧树脂胶液对上浆碳纤维的滋润性*好。AF-802 环氧树脂系统粘度低，活动阻力小，有利于对碳纤维的滋润。该环氧树脂胶液外表张力大，有利于在碳纤维中的毛细活动。

　　2)外表上浆剂改善了环氧树脂对碳纤维的滋润功能。FT-IR 剖析标明上浆剂含有—OH 和C—O—C 基团，环氧树脂分子链存在固有极性羟基和醚键，碳纤维外表的活性基团添加了与树脂的相容性和结合。

　　3)SEM 剖析标明AF802 环氧树脂系统复合资料的损坏断面规整，显现纤维与树脂一起开裂，发挥了基体与增强体的协同效果，滋润功能的进步对自行车架用碳纤维/环氧树脂复合资料的物理功能起到了改善效果。