作者：Chang-uk KIM, Sang-jin KIM, Jin-chul PARK,Jung-il SONG
       摘要：CNT/CFRP（碳納米管/碳纖維增強塑料）復合材料和GNP/CFRP（石墨烯納米片//碳纖維增強塑料）材料有著優越的機械性能，強度高、楊氏模量、熱導率、耐腐蝕性和電子屏蔽等。本研究利用機械法（三輥式磨碎機）通過改變CNT的重量比2wt%和3wt%來制備CNT/CFRP復合材料；通過改變GNP的重量比0.5wt%和1wt%來制備GNP/CFRP復合材料。根據美國材料試驗協會（ASTM）標準D638、D256和D3181分別進行拉力試驗、抗沖擊試驗和磨損試驗。實驗觀察到通過改變CNT重量比可以改善材料的抗拉強度、抗沖擊性和耐磨性等機械性能。
       關鍵詞：CNT,GNP,CFRP,復合材料,三輥式磨碎機,磨損
1、引言
       碳納米管（CNT）技術由于其優越的特性而在科研和工業生產領域中日益引起研究者的注意。CNT和GNP壁與帶有較強sp2共價鍵的類石墨片相似。根據其石墨結構，CNT和GNP都具有高熱導率和導電性的半導體或類金屬性能。CNT的楊氏模量高達1000GPa和1100GPa，是鋼的楊氏模量的5倍；其抗拉強度高達150GPa和200GPa，是鋼的抗拉強度的40倍之多。
       CNT的優越性能使其成為聚合物復合材料增強的最佳選擇。此外，CNT/聚合物納米復合材料的研發也開辟了多功能材料制備的新道路。有學者對CNT改善聚合物的磨損性能進行研究實驗并取得成果。研究發現CNT納米復合材料的耐磨性能要比純基體復合材料的耐磨性能要好。
       摩擦材料的耐磨性能一般都要求比較高，因此，研究磨損性能就比較重要。目前，航空器制動盤的磨損和摩擦熱的主要原因是由于碳的氧化；同時也會發生純摩擦所致的磨損。所以，研究磨損的成因也就十分有必要。本研究在制備復合材料后對其進行耐磨損試驗，研究目的在于將其應用到實際機械零部件中。
2、實驗
2.1 材料
       CNT純度＞95%，平均直徑10-15nm，平均長度10-20μm，表面積225m2/g。GNP純度＞95%，平均直徑0.1-0.3nm，平均長度0.1-0.2μm，表面積470m2/g。實驗還用到平紋布碳纖維和環氧樹脂。CNT、GNP和平紋布碳纖維分別做復合材料的納米增強體和微米增強體。為研究機械性能和磨損性能，利用環氧樹脂做復合材料的基體。
2.2 三輥式磨碎機方法
       圖1為三輥式磨碎機裝置，該機器利用三根水平放置的輥以相反方向和不同速度旋轉，利用產生的剪切力對進料進行混合、破碎、分散和拌勻。三根輥分別為進給輥、中心輥和刮板輥。
       將待磨碎材料放在進給輥和中心輥之間，相鄰的輥以較高速度漸進旋轉；在粘附作用下，材料從中心輥輸送到刮板輥。由于分散作用，輥之間的縫隙產生的高剪切力所引起的應力強度可以通過減小輥之間的寬度、增大旋轉速度和懸浮物的質量濃度而得到增大。本研究中，旋轉速度是固定的，進給輥和中心輥的間隙寬度設置為45、30、15、5和0μm，另外一個間隙寬度設置為15、10、5、0和0μm。
2.3 薄膜鑄塑和乙階段
       料斗以一定位置固定好以便CNT/環氧樹脂材料和GNP/環氧樹脂材料不會從側邊溢出；然后對輥之間的縫隙寬度進行設置。材料混合料放入料斗后，以0.5m/min速度讓機器運轉，最終獲得鑄型薄膜。為乙階段制備200mm×200mm大小的小片薄膜；將14片樹脂薄膜放入爐內，乙階段的溫度和時間分別為80℃，9.5分鐘。
2.4 熱壓成型
       將薄膜和碳纖維交替堆積；頂部模具使用凸模，底部模具使用凹模；用乙醇進行模具清洗后，涂上一層防粘劑，然后用特氟龍布（聚四氟乙烯涂覆玻璃纖維布）將模具進行包裝。
       把堆積起來的碳纖維和薄膜放入底部模具，模具兩邊開口部分用軟性復合板封堵。頂模覆蓋底模并用兩根針加以固定。熱壓前用雙真空袋對模壓成型進行真空包裝，如圖2（a）所示。將模壓成型放入熱壓機，如圖2（b）所示。熱壓參數如下：溫度80~120℃，壓力0.5~10噸，時間4小時。

2.5 試驗方法
       機械試驗：根據ASTM標準D638和D256分別進行拉力試驗和抗沖擊試驗，分別利用UTM和埃左德沖擊試驗儀研究拉伸特性和沖擊特性。拉力試驗的十字頭速度為3mm/min；埃左德沖擊試驗的負載力為22J，沖擊速度為3.5m/秒。
       磨損試驗：根據ASTM標準D3181利用UFW200研究磨損特性。磨損試驗負載為10、20和30N，RPM為300，軌道半徑為10mm，測試時間為1800秒。 
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