【实验材料与方法模板】 实验方法与材料
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（60 nm ，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) 2S 2O 4，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（CH 3CH 2OH ，天津永晟精细化工有限公司）；五氧化二磷（P 2O 5，天津市盛淼精细化工有限公司）；硝酸钙（Ca(NO3) 2·4H 2O ，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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
设备名称 球磨机 旋转粘度计 水浴炉 电热恒温鼓风干燥箱
离心机 箱式电阻炉 真空管式炉 扫描电镜 显微硬度计 电子万能试验机
型号 C062-7 NDJ -1 DZKW -4 DL -101 800 SX 3-4-10 GSL -1600X S -4800 HVS -1000 WDW -10
生产厂家
长沙清河通用机械设备有限公司 上海平轩科学仪器有限公司 北京中兴伟业仪器有限公司 天津市中环实验电炉有限公司 上海浦东物理光学仪器厂 龙口市电炉制造厂 合肥科晶材料技术有限公司
日本日立
上海万衡精密光学仪器厂 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P 2O 5醇溶液58.5 ml ，确保Ca/P比为1.67，将P 2O 5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30 min ，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50 ml 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%、10 wt%、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%、4 wt%、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30 wt%、35 wt%、40 wt%、45 wt%、50 wt%），搅拌均匀后球磨2 h ，再加入预处理后碳纤维，球磨24 h 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0.3 wt%、0.6 wt%、0.9 wt%、1.2 wt%；引发剂的含量分别为0.3 wt%、0.6 wt%、0.9 wt%、1.2 wt%），将不同固相含量的浆料放入离心管模具内，在500 r/min、1000 r/min、1500 r/min离心转数下离心成型，离心时间为5 min 、10 min 、15 min ，生坯脱模后在室温下放置48 h ，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：
ρ实际=
(2.2)
d =
(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/cm3；
ρ理论—理论密度，g/cm3；
m
V
ρ实际
⨯10%0 ρ理论
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]。 σf =(2.4)
式中：σf —抗弯强度，Mpa ；
P —破坏载荷，N ；
3P ⨯L
2
2b ⨯h
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。
⎛K ⎫⎛H ⎫
IC ⎪⨯ ⎪1/2
⎝Ha ⎭⎝E ⎭
(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
P
）； d 2
2/5
⎛c ⎫
=0. 018 ⎪
⎝a ⎭
-1/2
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 。