碳纤维增强固体浮力材料性能研究

王耀声¹，亚斌¹，周秉文¹，孟令刚¹，Devesh Misra²，张兴国¹

1. 大连理工大学材料科学与工程学院辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室2. 德克萨斯大学埃尔帕索分校冶金与材料工程系

摘 要：使用浓H₂SO₄/浓HNO₃的混酸体系对碳纤维（CF）的表面进行处理得到氧化碳纤维（OCF）。采用超声分散和模具浇注成型法制备氧化碳纤维/空心玻璃微珠（HGMs）/环氧树脂固体浮力材料,研究了材料的密度、抗压强度、吸水率和断面形貌。使用ABAQUS数值模拟软件,建立了碳纤维增强固体浮力材料的模型,研究了碳纤维对材料应力分布的影响。结果表明,碳纤维经过氧化后,表面形成了羟基和羧基等基团,提高了自身与环氧树脂的界面结合状态。随着氧化碳纤维含量的增加,复合材料的占空比逐渐提高,但密度变化不大,而其抗压强度呈现先升高后降低的趋势。当碳纤维含量为5%（质量分数）时,抗压强度达41MPa,提高约13.8%。固体浮力材料吸水率随碳纤维含量增加而提高,但所有试样的吸水率均小于2%。复合材料模型受压后的应力云图表明,碳纤维能够有效代替固体浮力材料基体承载很大一部分载荷,空心玻璃微珠球壳所受应力降低,减少了空心玻璃微珠破碎和裂纹源的产生,从而对固体浮力材料起到增强作用。

关键词：碳纤维;环氧树脂;空心玻璃微珠;力学性能;数值模拟;