碳纤维增强固体浮力材料性能研究

使用浓H_2SO_4/浓HNO_3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。