基于微波固化技术的碳纤维/环氧树脂复合材料试验

何栋 唐婷

摘要：通过微波固化技术针对碳纤维/环氧树脂复合材料进行试验，采用力学性能测试、红外光谱分析、电镜扫描、CT扫描对热固化与微波固化试样的力学性能、微细现形态做了比较分析。试验结果表明，基于温度平台监控、功率不断增加的微波固化反应速率显著提高，周期也明显缩短了大约60%;基于力学性能角度，微波固化与热固化试样的拉伸强度与层剪强度人体持平，但是力学性能分散度相对偏低，离散系数较小，碳纤维表层带有大量树脂基体;基于电镜与CT扫描分析，微波固化可更有效控制试样孔隙率，以确保试样质量。

关键词：微波固化技术;碳纤维;环氧树脂;复合材料

中图分类号：TB332文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0067-04

碳纤维复合材料具有其自身独特优势，即比强度、比模量、耐热性、耐腐蚀性良好，得以在化工与航空航天领域备受青睐。当前，碳纤维复合材料的固化方式依旧是热固化，周期长、耗能大、成本高等现象十分突出。但微波固化技术是新型复合材料固化方式，加热速度快、效率高、均衡性好、节能环保，可在很大程度上弥补热固化方式的缺陷。因此，基于微波固化技术开展了碳纤维/环氧树脂复合材料试验分析。

1微波固化机理

针对微波加速反应机理，研究持两种不同观点，即热效应与非热效应。热效应指出微波在化学反应中的应用只属于加热方式，主要是受微波影响，反应机理温度上升以加快了速度。非热效应则来源于微波辐射场在离子与极性分子中的洛仑磁力作用，基于微波作用的有机反应改变动力学，降低活化能。

微波固化与热固化不同，是极化介质于电磁场的介质耗能可促使微波转变成材料热能，以加快速度反应，快速固化复合材料。基于微波辐射的复合材料所汲取能量，即：

P=2πfδ₁δ（t）e²（1）

P代表能量;f代表輻射频率，单位为Hz;δ₁代表自由空间电容率，单位为F/m;8（t）代表介电损耗因子;e代表电场强度，单位为V/m。

通过公式（1）可以看出，随着介电损耗因子增大，微波汲取能量的能力逐渐增强。由于环氧树脂介电损耗因子较大，利用微波固化可均衡化树脂受热，并加快固化速度，所以环氧树脂复合材料微波固化一直都备受关注。微波固化与热固化的特性对比分析具体如表1所示。

2实验材料与方法

2.1材料

双酚A型环氧树脂，值为0.48-0.54mol/100g，当量为185-210g/mol，化学纯;TDE-85环氧树脂，化学纯;4，4′二氨基二苯基甲烷，化学纯;T700碳纤维，性能高。

2.2设备

自制微波固化装置频率为2.45GHz，额定输出功率为700W;美国Instron公司生产的电子万能材料试验机;比利时SkyScan公司生产的CT扫描系统;日本电子株式会社生产的扫描电子显微镜。

2.3试样

基于单环湿法缠绕成型工艺生产碳纤维复合材料NOL环。根据树脂配置比例制备胶液，将其置于高温浸胶槽内，通过数控缠绕机成型，NOL环试样纤维体积分数即（60+1）%。由于微波固化是利用微波加热负载，因此选用聚四氟乙烯模具（PTFE）缠绕制备NOL环试样。试样尺寸具体如表2所示。NOL环试样具体如图1所示。

利用微波固化与热固化方式分别生成NOL环试样，其中，固化温度一致，即110℃。热固化试验以电烘箱为载体开展，固化制度即110℃/4h，温度上升速率即3℃/min。微波固化以半球形红外控温微波固化优化装置为辅助开展试验，固化时间控制在100min，碳纤维/环氧树脂复合材料固化工艺具体如图2所示。

2.4性能测试

红外光谱：通过傅里叶变换红外光谱仪开展，选择HBr压片法，范围控制在4000-400cm^-1，分辨率控制为4cm^-1;拉伸强度：按照标准体系GB/T1458-2008，通过电子万能材料试验机测试，速度控制在3mm/min;层剪强度：按照标准体系GB/T1458-2008，通过电子万能试验机测试，加载速度为2mm/min;CT扫描：选用微观CT扫描体系，电压为59kV，电流为167uA，分辨率为0.25um，旋转角度为180°，增量为0.25°，在图像重构之后，通过分析获得孔隙率;电镜扫描：选择电镜扫描分析试样微观形态特征，断面则利用真空喷金方式加以处理。

3实验结果与讨论

3.1红外光谱分析

微波固化产物与热固化产物的红外光谱图大致相同，具体如图3所示。

图中曲线1为热固化产物红外光谱图;曲线2为微波固化产物红外光谱图。其中，羟基特征吸收峰在3423cm^-1位置处;环氧基团特征吸收峰在916cm^-1位置处。两种固化方式下产物红外光谱图大体一致，并未出现新型吸收峰，这就代表，微波固化与热固化方式下的产物特征基团相同，由此可知，微波固化方式在环氧树脂体系固化中并没有引发新化学反应，并且两种方式产物的化学结构相同。

3.2力学性能分析

力学性能试验结果具体如表3所示。

从表3中可以看出，不同固化方式试样的拉伸强度、拉伸模量、层剪强度水平相当。这就代表缩短周期的前提条件下，微波固化产物与热固化产物性能大体相同，力学性能离散系数相对偏小。通过分析得知，微波固化方式的体加热方式比较独特，可均匀化固化，在固化时，试样的厚度不同位置的温度差异几乎可以忽视，环氧树脂反应均衡性更强，以此使得力学性能离散程度明显下降。此外，微波固化工艺还具备良好的温度控制水平与功率逐渐增加优势，促使碳纤维复合材料初始温度上升速度有所下降，从而有效减慢了此时环氧树脂反应速度，控制了反应时材料孔隙膨胀速度，进而获得了性能良好的固化产物。

3.3CT扫描分析

基于重构扫描图像，获取两种固化方式试样孔隙率，具体如表4所示。

分析可知，微波固化方式下NOL环试样孔隙形态与热固化方式存在显著差异，其孔隙形状主要为圆形或者椭圆形，而热固化方式试样孔隙形状则为细条形。沿着垂直于纤维方向，两种方式下试样孔隙都逐渐变大。微波固化方式下试样均孔隙率相对偏低，这主要是由于微波固化工艺降低了碳纤维复合材料固化反应初始温度上升速度，在反应时抑制了孔隙扩大趋势，以此使得微波固化试样孔隙率明显下降，这也证明了微波固化方式下碳纤维/环氧树脂复合材料产物的性能与热固化方式大致相同的结论。

3.4电镜扫描分析

在微波固化方式下碳纤维/环氧树脂复合材料的树脂基体与纤维粘接都明显优于热固化方式。热固化时材料多数纤维的表层比较光滑，粘接的环氧树脂相对很少，但是，微波固化时材料多数纤维的表层带有树脂基体，这就证明微波固化方式可有效改善纤维一基体表层的粘接性。虽然微波固化方式下材料纤维一基体表层界面情况良好，但是因为其孔隙率比较大，因此层剪强度依旧相对不足。

4结语

综上所述，微波固化技术不同于热固化技术相关机理，通过试验对比分析两种固化工艺下的力学性能与微细观形态，得知，基于温度平台监控、功率不断增加的微波固化反应速率显著提高，周期也明显缩短了大约60%;基于力学性能角度，微波固化与热固化试样的拉伸强度与层剪强度大体持平，但是力学性能分散度相对偏低，离散系数较小;基于电镜与CT扫描分析，微波固化使得碳纤维表层带有大量树脂基体，且能更有效控制地试样孔隙率，从而确保产物质量。