碳纖維是由黏膠、瀝青或聚丙烯腈等有機(jī)纖維在N2、Ar 等惰性氣氛中經(jīng)1500℃高溫碳化所形成的纖維狀聚合物碳，其含碳量為90%~99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。碳纖維不僅質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比模量高（抗拉、抗彎、抗扭）、導(dǎo)電、傳熱、耐疲勞，而且適應(yīng)環(huán)境能力超強(qiáng)，對化學(xué)藥劑的抗腐蝕能力突出，享有“21 世紀(jì)最有生命力新型材料”的美譽(yù)[1]。環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin）泛指含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)，以脂肪族或芳香族鏈段為主鏈的高分子預(yù)聚物，是一種環(huán)氧低聚物，通常是液體狀態(tài)，它本身是熱塑性、線型高分子樹脂，交聯(lián)固化后會(huì)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物具有良好的拉伸性能、熱穩(wěn)定性、突出的耐化學(xué)腐蝕性及優(yōu)越的尺寸穩(wěn)定性，因而廣泛應(yīng)用于涂料、復(fù)合材料、高性能膠黏劑、電絕緣材料等領(lǐng)域[2]。
      碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂為樹脂基體，通過一定的成型工藝復(fù)合而成的一類高性能新型材料，其性能優(yōu)于各組分性能。由于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐摩擦磨損、耐腐蝕、便于大面積整體成型等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、航空工業(yè)、土木建筑、清潔能源、交通運(yùn)輸、體育器材等領(lǐng)域[3,4]。
      1 ·實(shí)驗(yàn)部分
      1.1 原料與試劑
      短切碳纖維和環(huán)氧樹脂均由連云港中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司提供。丙烯酰胺、丙酮以及其它分析純試劑均購于上海國藥化工公司。
      1.2 樣品制備
      將短切碳纖維（SCF）分散于丙酮溶液中，隨后將碳纖維的丙酮溶液超聲分散20 min。在機(jī)械攪拌條件下，將環(huán)氧樹脂（EP）溶解于丙酮溶液中，待環(huán)氧樹脂完全溶解后，將丙烯酰胺（AM）添加到環(huán)氧樹脂溶液中。緊接著，將分散均勻的碳纖維丙酮溶液加入到EP/AM 混合溶液中，在機(jī)械攪拌下得到均勻的混合液。再將EP、AM、SCF 的混合液在60℃條件下機(jī)械攪拌2 h，隨后轉(zhuǎn)移到真空箱中，在30℃條件下真空脫氣1 h，以完全除去丙酮。最后將得到的粘性混合物倒入內(nèi)壁涂有真空硅脂的模具中，放入烘箱，100℃下固化1 h，然后150℃下固化1 h。將固化得到的樣條冷卻到室溫條件下脫模。根據(jù)短切碳纖維含量的不同，將樣品予以編號(hào)，例如SCF8/EP-AM 代表短切碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 wt%。
      1.3 測試與表征
      SCF/EP-AM 復(fù)合材料的力學(xué)性能采用三點(diǎn)彎曲性能進(jìn)行表征，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2567-2008，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT6503 萬能試驗(yàn)機(jī)（上海三思“SANS”測試儀器有限公司）。樣條的尺寸為80 mm × 15 mm× 4 mm，樣條的測試條件為跨距64 mm，加載速度為10 mm/min，并且樣條尺寸的測量精度達(dá)到0.02 mm。
      摩擦磨損測試在HT-1000 型球- 盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試樣品尺寸為Φ20 mm× 2 mm，摩擦副為直徑6 mm 的鋼球，測試溫度為室溫，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm、1500 rpm 和2000 rpm，載荷為10 N、15 N、20N, 測試半徑為2 mm, 持續(xù)時(shí)間為40 min。取5~20 min的摩擦系數(shù)平均值作為測試樣品在摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)。復(fù)合材料的體積磨損率由下面的公式計(jì)算[5]:
           
      式中：△m 指磨損量（g），ρ 指測試樣品密度（g/cm3），N 指載荷（N），r 指旋轉(zhuǎn)半徑（mm），T 指測試時(shí)間（min），V 指旋轉(zhuǎn)速度（r/min）。樣品（表面噴金后） 的磨損表面形貌特征通過VEGA3 LMU（TESCAN, CzechRepublic）型掃描電鏡測試。
      2· 結(jié)果與討論
      2.1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/ 丙烯酰胺復(fù)合材料的力學(xué)性能
             
      圖1 顯示的是SCF/EP-AM 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量隨碳纖維含量的變化圖。由圖1 可知，碳纖維的添加可明顯提高復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，復(fù)合材料的彎曲性能隨著碳纖維含量的增大先增大后降低，當(dāng)碳纖維含量為8 wt%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量達(dá)到最大值。碳纖維是高性能纖維中比強(qiáng)度和比模量最高的纖維，將碳纖維用作增強(qiáng)填料添加到樹脂中，能夠制備出高強(qiáng)度、高模量、抗疲勞等綜合性能優(yōu)良的復(fù)合材料[6]。因此，碳纖維的添加能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。而當(dāng)碳纖維含量高于8 wt%后，碳纖維在環(huán)氧樹脂基體中的分散性降低，導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使復(fù)合材料的彎曲性能降低。
      2.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/ 丙烯酰胺復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能
      SCF/EP-AM 復(fù)合材料在穩(wěn)定摩擦階段的平均摩擦系數(shù)和磨損率如圖2 所示。由圖2 可知，碳纖維的添加可有效提高復(fù)合材料的摩擦磨損性能，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨碳纖維含量的增大而降低。添加碳纖維后，碳纖維大大提高了環(huán)氧樹脂基體的強(qiáng)度、模量，剛性的碳纖維能夠?qū)⒛Σ撩嫔系膽?yīng)力和載荷傳遞到環(huán)氧樹脂基體，因此碳纖維的添加能夠有效降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)[7,9]。丙烯酰胺的添加能使碳纖維和環(huán)氧樹脂之間具有良好的界面相容性，碳纖維對環(huán)氧樹脂基體的強(qiáng)化作用使復(fù)合材料的強(qiáng)度大大增加，碳纖維具有良好的熱導(dǎo)率會(huì)增強(qiáng)復(fù)合材料摩擦表面熱量的擴(kuò)散，因此碳纖維的添加能夠大大提高復(fù)合材料的耐磨性。
             
       圖3 為SCF/EP-AM 復(fù)合材料的磨損表面特征SEM 圖。圖3 A 顯示磨損表面出現(xiàn)了很深的犁削磨損溝槽，基體破裂和脫落現(xiàn)象比較嚴(yán)重，說明SCF0/EP-AM3復(fù)合材料的磨損機(jī)理為磨粒磨損。3-4（B、C、D）的磨損表面比較相似，可見環(huán)氧樹脂基體的塑性變形和粘著塊，同時(shí)也有樹脂基體被切削掉。說明SCF5/EP-AM3、SCF8/EP-AM3 、SCF10/EP-AM3 復(fù)合材料的磨損機(jī)理為粘著磨損和切削磨損。由此可見，隨著SCF 含量的增加，SCF/EP-AM3 復(fù)合材料的磨損機(jī)理由磨粒磨損向粘著磨損轉(zhuǎn)變。
           
       3 ·結(jié)論
       SCF/EP-AM 復(fù)合材料的彎曲性能隨著碳纖維含量的增大先增大后降低，當(dāng)碳纖維含量為8 wt%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量達(dá)到最大值。SCF/EP-AM復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨著碳纖維含量的增大而降低，碳纖維的添加能夠有效改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能。隨著碳纖維含量的增加，SCF/EP-AM 復(fù)合材料的磨損機(jī)理由磨粒磨損向粘著磨損轉(zhuǎn)變。