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摘要：使用濃H2SO4／濃HNO3的混酸體系對碳纖維（CF）的表面進行處理得到氧化碳纖維（OCF）。采用超聲分散和模具澆注成型法制備氧化碳纖維／空心玻璃微珠（HGMs）／環氧樹脂固體浮力材料，研究了材料的密度、抗壓強度、吸水率和斷面形貌。使用ABAQUS數值模擬軟件，建立了碳纖維增強固體浮力材料的模型，研究了碳纖維對材料應力分布的影響。結果表明，碳纖維經過氧化后，表面形成了羥基和羧基等基團，提高了自身與環氧樹脂的界面結合狀態。隨著氧化碳纖維含量的增加，復合材料的占空比逐漸提高，但密度變化不大，而其抗壓強度呈現先升高后降低的趨勢。當碳纖維含量為5％（質量分數）時，抗壓強度達41MPa，提高約13．8％。固體浮力材料吸水率隨碳纖維含量增加而提高，但所有試樣的吸水率均小于2％。復合材料模型受壓后的應力云圖表明，碳纖維能夠有效代替固體浮力材料基體承載很大一部分載荷，空心玻璃微珠球殼所受應力降低，減少了空心玻璃微珠破碎和裂紋源的產生，從而對固體浮力材料起到增強作用。關鍵詞：碳纖維；環氧樹脂；空心玻璃微珠；力學性能；數值模擬0

引言

固體浮力材料是一種低密度、高強度、吸水性小的復合材料，廣泛應用于深海開發的各個領域［1］。隨著科學技術的發展，深潛器潛水深度的增大，對固體浮力材料的性能要求也越來越高，尤其是在壓縮強度方面［2］。復合泡沫材料是實際深海工程中使用較多的一種固體浮力材料，它主要是通過空心玻璃微珠添加到高強度樹脂中固化成形［3］。為了進一步提高材料的壓縮強度，常采用添加增強相的方法［4－5］。國內外已經進行了很多關于納米顆粒、納米粘土增強復合泡沫材料的研究［6－9］。碳纖維以其高強度、高模量、自重輕、價格低廉等特點廣泛應用于增強聚合物基復合材料［10－11］。然而利用實驗和數值模擬的方法研究功能化碳纖維增強復合泡沫材料的研究相對較少。本文采用環氧樹脂E51為基體，K25型空心玻璃微珠（hollowglassmicrospheres，HGMs）為輕質填料，碳纖維為增強相制備固體浮力材料，HGMs體積分數為60％，研究了碳纖維對固體浮力材料密度、壓縮性能、吸水性的影響。并且，利用ABAQUS數值模擬軟件，建立了碳纖維增強固體浮力材料的模型，研究了碳纖維對材料應力分布的影響及其增強機理。

1浮力材料制備

1．1主要原材料

環氧樹脂，E51，環氧值0．48～0．54eg／mg，40℃時的粘度＜2500Pa•s，南通星辰合成材料有限公司；正丁基縮水甘油醚（稀釋劑），分子式是C7H14O2，25℃時的粘度0．002Pa•s，上海邦成化工有限公司；2－乙基－4－甲基咪唑（固化劑），化學式C6H10N2，用于環氧樹脂粘接，天津化學試劑廠；空心玻璃微珠（HGMs），K25，理論密度0．25g／cm3，平均粒徑55μm，耐壓強度5．17MPa，美國3M公司；碳纖維，公稱直徑：7μm，纖維密度：1．65～1．95g／cm3，杭州高科復合材料有限公司；偶聯劑為3－氨基丙基三乙氧基硅烷（又稱γ－氨丙基三乙氧基硅烷，簡稱KH－550），分子式為C9H23NO3Si，薩恩化學技術（上海）有限公司；濃硫酸和濃硝酸，大連博諾生物化學試劑廠。

1．2試樣制備

1．2．1碳纖維的氧化稱取適量濃硫酸和濃硝酸，按照3∶1的比例進行混合，加入適量碳纖維，常溫下放置10h，期間使用集熱式恒溫加熱磁力0攪拌器（DF－101S）不斷進行攪拌。利用砂芯抽濾裝置過濾碳纖維，反復用去離子水沖洗碳纖維表面，至濾液pH值＝7。將沖洗后的碳纖維放入電熱恒溫真空干燥箱（DZF－6050）中烘干，研磨成粉。

1．2．2空心玻璃微珠預處理稱取適量偶聯劑與空心玻璃微珠，空心玻璃微珠與偶聯劑的質量比為20∶1。利用90％的酒精水溶液分散偶聯劑，與空心玻璃微珠充分混合，放入真空干燥箱中蒸干酒精，獲得表面帶有偶聯劑的空心玻璃微珠。1．2．3試樣制備由于碳纖維在環氧樹脂中分散性好，因此直接利用熔融共混法混合環氧樹脂與碳纖維。稱取適量碳纖維和環氧樹脂放入燒杯中，在磁力攪拌器攪拌1h。分別加入稀釋劑、固化劑攪拌至充分混合，其中環氧樹脂、稀釋劑、固化劑的比例為100∶12∶6。將稱量好的空心玻璃微珠分批次加入到環氧樹脂中，緩慢攪拌均勻后注入涂有脫模機的模具中，放入真空干燥箱，按照70℃保溫0．5h、80℃保溫1h、120℃保溫3h的固化工藝進行固化。制備出固體浮力材料試樣。

1．3性能測試與表征

試樣的室溫單軸靜態壓縮性能按GB／T10401－1992測定，試樣尺寸12mm×30mm，加載速率1mm／min；密度按GB／T1034－2008測定；吸水率按GB1034－1986測定，試樣尺寸50mm×3mm。

2結果與討論

2．1碳纖維對固體浮力材料密度的影響

氧化碳纖維對固體浮力材料密度及占空比的影響。

2．2碳纖維對固體浮力材料壓縮強度的影響

氧化碳纖維對固體浮力材料壓縮性能的影響。隨著碳纖維質量分數的提高，材料的壓縮性能呈現出先升高后降低的趨勢。當碳纖維的質量分數為5％時，材料的壓縮強度最高，為41MPa，提高約13．8％。當碳纖維添加量過低時，碳纖維的增強效果不明顯；當碳纖維的添加量過高時，基體與碳纖維之間脫粘的情況也會增多，材料整體無法進行連續的應力傳遞。同時，隨著碳纖維質量分數的提高，材料的粘度增大，占空比提高，氣孔缺陷增多，從而使得材料的壓縮強度降低。

3碳纖維影響固體浮力材料應力分布的數值模擬

碳纖維經過氧化后與環氧樹脂的界面粘結性較好，假設為理想接觸狀態。因此可以通過數值模擬的方法，建立環氧樹脂／空心玻璃微珠／碳纖維三元模型，進一步探究氧化碳纖維對固體浮力材料強度的影響，通過模擬模型受壓過程的應力云圖，分析碳纖維的增強機理。

3．1基本假設為了簡化建模和計算的過程，本文采用單胞（體積元）分析法。假設空心玻璃微珠在環氧樹脂中呈體心立方分布，由于體心立方分布呈周期性排列，因此可以選擇體心立方單元的1／8作為體積元進行分析［12］。同時，忽略氣孔對復合材料性能的影響。由于空心玻璃微珠與碳纖維經過表面處理后與環氧樹脂的結合性較好，因此假設玻璃微珠、碳纖維與樹脂基體界面是理想接觸狀態［13］。碳纖維實際在環氧樹脂中是隨機分布的，為了分析方便，抽取兩種具有代表性的單元進行建模，即碳纖維沿受力方向分布和垂直于受力方向分布。建立分析模型如圖5所示。由前所述，當碳纖維質量分數為5％時，壓縮強度最高，因此在1／8單胞模型中嵌入了兩條碳纖維，此時模型中碳纖維的質量分數接近于5％。3．2邊界條件碳纖維、環氧樹脂、空心玻璃微珠根據各自的特性劃分不同的網格，設置了不同的材料性能。環氧樹脂、HGMs和碳纖維的彈性模量和泊松比如表2所示。以受壓HGMs的球心為原點o，xoy、yoz、xoz面施加對稱邊界條件，上表面施加適當的載荷，使HGMs或環氧樹脂所受的應力接近于最大應力。環氧樹脂與碳纖維、HGMs之間是理想的粘性行為。

3．3結果分析未加碳纖維模型計算的應力云圖如圖6所示。從圖6可以看出，固體浮力材料中HGMs的應力要明顯高于基體。HGMs所能承受的最大應力為550MPa［14］，環氧樹脂所能承受的最大應力為300MPa［15］。模型中HGMs的最大應力為530MPa，接近于HGMs所能承受的最大應力，而環氧樹脂的最大應力為93MPa，遠低于300MPa。這說明材料的破壞首先從HGMs開始。當HGMs球殼最大應力到達550MPa時，HGMs破碎，產生裂紋源，固體浮力材料開始破壞。施加相同的載荷，HGMs球殼的最大應力越小，說明這個模型的抗壓效果越好。如圖7所示，碳纖維可以使HGMs的應力分布發生改變。當碳纖維沿受力方向分布時，HGMs球殼應力分布從原來的由赤道向兩極遞減變為相對均勻分布，出現最大應力的點由赤道向兩極移動。HGMs球殼各個位置的應力都有所減小，球殼最大應力由530MPa減小到462MPa。當碳纖維垂直于受力方向分布時，球殼最大應力為535MPa并沒有減小，但碳纖維一側的HGMs球殼的最大應力從530MPa減小到453MPa。這說明不同方向分布的碳纖維均能夠減小其一側HGMs球殼的最大應力，從而使裂紋源的數量減少，固體浮力材料得以增強。

4結論

（1）隨著碳纖維質量分數的提高，材料的壓縮強度呈現先升高后降低的趨勢，當碳纖維的含量為5％時，壓縮強度最高達41MPa，比無碳纖維增強浮力材料提高13．8％。（2）碳纖維的加入可以提高環氧樹脂基體的彈性模量，降低空心玻璃微珠球殼上的應力，減少空心玻璃微珠的破壞傾向，減少裂紋源的產生，從而提高固體浮力材料的壓縮強度。（3）碳纖維質量分數的提高則材料的占空比逐漸提高，實際密度明顯小于理論密度；且固體浮力材料的吸水率隨著碳纖維質量分數的提高而不斷增加。

作者：王耀聲1；亞斌1；周秉文1；孟令剛1，DeveshMisra2；張興國1單位：1．大連理工大學材料科學與工程學院，2．德克薩斯大學埃爾帕索分校冶金與材料工程系