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第1章实验材料与方法

1.1实验材料与设备

1.1.1实验材料

本实验采用的材料有：碳纤维（3 K，大连新科碳纤维有限公司）；羟基磷灰石粉末（60nm，南京埃普纳米材料有限公司）；有机单体丙烯酰胺（AM，分析纯，日本Mitsui Toatsu化学公司生产）；交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM，化学纯，北京红星生物化学制品厂）；分散剂六偏磷酸钠（分析纯，北京化学试剂公司）；引发剂过硫酸铵（(NH4)2S2O4，分析纯，北京化学试剂三厂）；催化剂N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED，化学纯，北京兴福精细化学研究所）；氨水（化学纯，天津永晟精细化工有限公司）；无水乙醇（CH3CH2OH，天津永晟精细化工有限公司）；五氧化二磷（P2O5，天津市盛淼精细化工有限公司）；硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O，天津永晟精细化工有限公司）。

1.1.2实验设备

所用实验设备如表2-1所示。

表2-1 实验设备

序号设备名称型号生产厂家

1 球磨机C062-7 长沙清河通用机械设备有限公司

2 旋转粘度计NDJ-1 上海平轩科学仪器有限公司

3 水浴炉DZKW-

4 北京中兴伟业仪器有限公司

4 电热恒温鼓风干燥箱DL-101 天津市中环实验电炉有限公司

5 离心机800 上海浦东物理光学仪器厂

6 箱式电阻炉SX3-4-10 龙口市电炉制造厂

7 真空管式炉GSL-1600X 合肥科晶材料技术有限公司

8 扫描电镜S-4800 日本日立

9 显微硬度计HVS-1000 上海万衡精密光学仪器厂

10 电子万能试验机WDW-10 济南东方试验仪器有限公司

1.2实验过程

本实验主要包括碳纤维表面改性、碳纤维/HA浆料制备、离心-凝胶注模成型、生坯干燥脱模和烧结等阶段。其工艺流程图如图2-1所示。

本实验的具体过程如下：

1、碳纤维改性

（1）低温氧化处理

将碳纤维放入400 ℃箱式电阻炉中保温30 min后取出备用。

（2）制备HA溶胶

配制浓度为2 mol/L的Ca(NO3)2醇溶液50 ml，浓度为4 mol/L的P2O5醇溶液58.5 ml，确保Ca/P比为1.67，将P2O5醇溶液向Ca(NO3)2醇溶液缓慢滴加，并磁力搅拌2 h，反应结束后变成透明的粘稠状溶胶。

（3）碳纤维表面提拉

将表面低温氧化处理碳纤维浸入HA溶胶中，进行提拉，提拉后的碳纤维在80 ℃的烘箱内干燥30min，使溶胶转变成凝胶，之后再将碳纤维浸入HA溶胶内再提拉，重复上述过程5 次，使在碳纤维表面形成一层结合较好的薄膜。

2、碳纤维/HA浆料制备

在室温下，将50ml的去离子水放入烧杯中，加入有机单体丙烯酰胺和交联剂亚甲基双丙烯酰胺（交联剂质量∶有机单体质量=1∶10）制备预混液（单体的质量分别为5 wt%、10wt%、15 wt%、20 wt%），然后加入不同含量的分散剂六偏磷酸钠（分散剂的含量分别为3 wt%、4wt%、5 wt%、6 wt%），搅拌混合均匀后，用氨水调节pH之后加入羟基磷灰石粉末（质量分数分别为30wt%、35 wt%、40wt%、45wt%、50wt%），搅拌均匀后球磨2h，再加入预处理后碳纤维，球磨24h后得到流动性好的浆料备用。

3、离心-凝胶注模成型

碳纤维/HA浆料制备好后，加入不同含量的催化剂和引发剂（催化剂的含量分别为0.3wt%、0.6wt%、0.9wt%、1.2wt%；引发剂的含量分别为0.3wt%、0.6wt%、0.9wt%、1.2wt%），将不同固相含量的浆料放入离心管模具内，在500r/min、1000r/min、1500r/min离心转数下离心成型，离心时间为5min、10min、15min，生坯脱模后在室温下放置48h，将干燥的试样从底部到顶部

切割成3 块，用以测量生坯密度，进而确定最佳的离心工艺参数。将干燥的试样按照图2-2所示的烧结工艺烧结成型，烧结温度为1100 ℃并保温2 h，烧结产物用于显微组织观察和力学性能测试。

图2-1 制备梯度碳纤维/HA复合材料实验流程图

时间/h

图2-2 烧结工艺曲线

1.3 性能测试

1.3.1 碳纤维/HA 浆料粘度测定

采用旋转粘度计（NDJ -1）测量碳纤维/HA 浆料的粘度。用2号转子在60 r/min 下预搅30 s ，静停30 s ，在量程为500 mPa·s 下测定浆料粘度。实验温度20 ℃。计算公式如下：

η=k·α (2.1)

式中：η—绝对粘度；

k —系数，k=5；

α—指针所指示读数（偏转角度）。

1.3.2 碳纤维/HA 浆料稳定性测定

为了研究高固相含量的浆料稳定性，将球磨24 h 的浆料，倒入有刻度的小烧杯中，记录浆料的初始高度，放置一段时间后，浆料会分层，上层为澄清液，下层为浑浊液，每隔12 h 后，测量下层悬浮液的高度。浆料的沉降百分率（RSH ）即为下层悬浮液的高度除以浆料的初始高度。

1.3.3 生坯密度测定

将生坯从顶部到底部切割成 3 块，测出每一块的质量，再用阿基米德排水法测出每一块的体积，求出每一块的实际密度，再用实际密度比上试样的理论密度得到生坯密度（相对密度d ）。公式如下：

V

m

=

实际ρ (2.2)

%100?=

理论

实际

ρρd (2.3)

式中：m —每一块生坯质量，g ；

V —每一块生坯体积，cm 3； ρ实际—实际密度，g/cm 3；

ρ理论—理论密度，g/cm 3；

d —生坯密度（相对密度），%。

1.3.4 显微组织的观察

用扫描电镜（日立S-4800）观察表面改性前后的碳纤维的形貌。同时观察烧结后试样不同部位的显微组织，并观察弯曲断口处的显微组织。

1.3.5 弯曲性能测试

将梯度碳纤维/HA 陶瓷在弯曲实验机上测试弯曲性能，样品尺寸为41 mm×10 mm×10 mm ，三点抗弯时跨距为25 mm ，加载速率为1 mm/min 。试样的抗弯强度按公式(2.4)计算[36]。 2

23h

b L

P f ??=σ (2.4)

式中：f σ—抗弯强度，Mpa ；

P —破坏载荷，N ；

L —跨距，mm ； b —试样宽度，mm ；

h —试样厚度，mm 。

1.3.6 断裂韧度测试

试样尺寸为10 mm×10 mm×5 mm （长×宽×高），将试样实验面磨平，然后在显微硬度计上，施加载荷在试样实验面上压出压痕，保荷时间为15 s 。用IBAS -2图像分析仪测量压痕的a 、c 和d 数据，将所得数据代入公式(2.5)[36]，求得K IC 值。

2

/15

/22

/1018.0-?

?

?

??=??

?

?????? ??a c E H Ha K IC

(2.5)

式中：K IC —断裂韧度，MPa·m 1/2； E —杨氏模量，GPa ，约为118 GPa ； H —显微硬度，GPa ，（H=0.1891

2

d P

）；

d—压痕对角线平均长度，mm；a—压痕对角线半长，mm；c—表面裂纹半长，mm；P—载荷，N。