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
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
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
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：
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。
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保护碳纤维不被损伤破碎，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。
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。
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。
0.05μm氧化铝悬浮液抛光1min30s
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