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(qiáng)塑料）復(fù)合材料和GNP/CFRP（石墨烯納米片//碳纖維增強(qiáng)塑料）材料有著優(yōu)越的機(jī)械性能，強(qiáng)度高、楊氏模量、熱導(dǎo)率、耐腐蝕性和電子屏蔽等。本研究利用機(jī)械法（三輥式磨碎機(jī)）通過改變CNT的重量比2wt%和3wt%來制備CNT/CFRP復(fù)合材料；通過改變GNP的重量比0.5wt%和1wt%來制備GNP/CFRP復(fù)合材料。根據(jù)美國材料試驗協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)D638、D256和D3181分別進(jìn)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(qiáng)度、抗沖擊性和耐磨性等機(jī)械性能。
       關(guān)鍵詞：CNT,GNP,CFRP,復(fù)合材料,三輥式磨碎機(jī),磨損
1、引言
       碳納米管（CNT）技術(shù)由于其優(yōu)越的特性而在科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中日益引起研究者的注意。CNT和GNP壁與帶有較強(qiáng)sp2共價鍵的類石墨片相似。根據(jù)其石墨結(jié)構(gòu)，CNT和GNP都具有高熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性的半導(dǎo)體或類金屬性能。CNT的楊氏模量高達(dá)1000GPa和1100GPa，是鋼的楊氏模量的5倍；其抗拉強(qiáng)度高達(dá)150GPa和200GPa，是鋼的抗拉強(qiáng)度的40倍之多。
       CNT的優(yōu)越性能使其成為聚合物復(fù)合材料增強(qiáng)的最佳選擇。此外，CNT/聚合物納米復(fù)合材料的研發(fā)也開辟了多功能材料制備的新道路。有學(xué)者對CNT改善聚合物的磨損性能進(jìn)行研究實驗并取得成果。研究發(fā)現(xiàn)CNT納米復(fù)合材料的耐磨性能要比純基體復(fù)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(fā)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(fù)合材料后對其進(jìn)行耐磨損試驗，研究目的在于將其應(yīng)用到實際機(jī)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(huán)氧樹脂。CNT、GNP和平紋布碳纖維分別做復(fù)合材料的納米增強(qiáng)體和微米增強(qiáng)體。為研究機(jī)械性能和磨損性能，利用環(huán)氧樹脂做復(fù)合材料的基體。
2.2 三輥式磨碎機(jī)方法
       圖1為三輥式磨碎機(jī)裝置，該機(jī)器利用三根水平放置的輥以相反方向和不同速度旋轉(zhuǎn)，利用產(chǎn)生的剪切力對進(jìn)料進(jìn)行混合、破碎、分散和拌勻。三根輥分別為進(jìn)給輥、中心輥和刮板輥。
       將待磨碎材料放在進(jìn)給輥和中心輥之間，相鄰的輥以較高速度漸進(jìn)旋轉(zhuǎn)；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(chǎn)生的高剪切力所引起的應(yīng)力強(qiáng)度可以通過減小輥之間的寬度、增大旋轉(zhuǎn)速度和懸浮物的質(zhì)量濃度而得到增大。本研究中，旋轉(zhuǎn)速度是固定的，進(jìn)給輥和中心輥的間隙寬度設(shè)置為45、30、15、5和0μm，另外一個間隙寬度設(shè)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(huán)氧樹脂材料和GNP/環(huán)氧樹脂材料不會從側(cè)邊溢出；然后對輥之間的縫隙寬度進(jìn)行設(shè)置。材料混合料放入料斗后，以0.5m/min速度讓機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，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(nèi)，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(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)行真空包裝，如圖2（a）所示。將模壓成型放入熱壓機(jī)，如圖2（b）所示。熱壓參數(shù)如下：溫度80~120℃，壓力0.5~10噸，時間4小時。

2.5 試驗方法
       機(jī)械試驗：根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D638和D256分別進(jìn)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(fù)載力為22J，沖擊速度為3.5m/秒。
       磨損試驗：根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D3181利用UFW200研究磨損特性。磨損試驗負(fù)載為10、20和30N，RPM為300，軌道半徑為10mm，測試時間為1800秒。 
（詳細(xì)內(nèi)容敬請點擊這里）