碳纖維復合材料的金相制備
2024-04-26
纖維增強復合材料一般是指由玻璃纖維、碳纖維、硼纖維做為增強材料，以不飽和聚酯、環氧樹脂與酚醛樹脂為基體的復合材料。具有密度小、強度高、耐化學腐蝕、電絕緣性能優異以及加工性能好等特點，可用于航空航天、船舶、化工、電子、汽車制造、建筑工程等行業。
纖維種類、編織方式、纖維表面處理、在樹脂中的分散性和長徑保留比、纖維含量都影響最終的增強效果。在微觀尺度上，復合材料的強度決定于基體材料與增強纖維界面的強度，要實現這一點必須使材料在界面上形成能量的最低結合，即液體與固體之間的潤濕。
因此研究復合材料中纖維和基體界面的組成、結構、控制、性能和改進界面相，是復合材料的基礎理論之一。但玻璃纖維和碳纖維具有高強度低伸長，易彎曲脆斷等特性，給樣品制備帶來很大的困難。
本文以碳纖維增強樹脂為例進行樣品制備。
制備步驟
1.切割
因導熱性約為金屬材料的1/100，并含有硬質的改性氧化物填料等原因造成散熱條件差，產生的熱與碎屑不易被帶走。
若選用砂輪片切割，因切割片厚度造成的切口損失較大，產生的熱量會使樹脂融化粘接在砂輪片表面，造成切割困難。
若用大顆粒的金剛石切割片進行切割又會造成纖維脆性破碎嚴重，給后續磨拋帶來困難。
切割時推薦使用高速精密切割機 IsoMet High Speed Pro 搭配 15HC 的金剛石切割片進行切割。
2.鑲嵌
若基體樹脂材料受熱不軟化不變形，可選用熱壓鑲嵌法進行鑲嵌。
若不清楚基體材料的熱性能參數，真空環氧樹脂鑲嵌無疑是更為明智的選擇。
樹脂可選擇 EpoxiCure 2，此款樹脂粘度低流動性好、收縮率極低，6 小時左右即可固化。
3.研磨&拋光
本實驗使用標樂 AutoMet 250 Pro 半自動磨拋機，因其壓力載荷可控，并可實現多個樣品同時制備，可極大提高樣品制備的重復性，采用步驟如下：
使用大粒號的砂紙在去除損傷的同時會造成新的損傷，因碳化硅顆粒較鋒利，纖維在承受剪切力時易脆斷，即使長時間研磨也無法得到平整無損傷的表面，如下圖所示，使用兩張P400研磨8分鐘后，纖維表面破碎情況未有任何改觀。
P400 砂紙研磨8分鐘
因此建議P400砂紙研磨兩分鐘，將切割造成的樹脂損傷去掉即可。
標樂的UltraPad拋光布是硬編織的無絨毛布，配合使用9μm金剛石懸浮液，可在保持較高去除速率的同時保護碳纖維不被損傷破碎，需要增加拋光時間至約3分鐘直到將損傷全部去除，下圖所示為拋光3分鐘后纖維形貌。
9μm金剛石懸浮液拋光3分鐘
接著用中等硬度的合成絲質布VerduTex配合3μm拋光液拋光2分鐘將9μm懸浮液產生的劃痕進一步去除。
3μm金剛石懸浮液拋光2分鐘
最終使用人工合成多孔橡膠ChemoMet拋光布配合0.05μm氧化鋁懸浮液，可得到無劃痕，纖維形貌保持良好的最終表面。
0.05μm氧化鋁懸浮液拋光1min30s
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