碳纖維是由黏膠、瀝青或聚丙烯腈等有機纖維在N2、Ar 等惰性氣氛中經1500℃高溫碳化所形成的纖維狀聚合物碳，其含碳量為90%~99%（質量分數）。碳纖維不僅質量輕、比強度高、比模量高（抗拉、抗彎、抗扭）、導電、傳熱、耐疲勞，而且適應環境能力超強，對化學藥劑的抗腐蝕能力突出，享有“21 世紀最有生命力新型材料”的美譽[1]。環氧樹脂（Epoxy Resin）泛指含有兩個或兩個以上環氧基團，以脂肪族或芳香族鏈段為主鏈的高分子預聚物，是一種環氧低聚物，通常是液體狀態，它本身是熱塑性、線型高分子樹脂，交聯固化后會形成三維網狀結構。由于環氧樹脂固化產物具有良好的拉伸性能、熱穩定性、突出的耐化學腐蝕性及優越的尺寸穩定性，因而廣泛應用于涂料、復合材料、高性能膠黏劑、電絕緣材料等領域[2]。
      碳纖維增強環氧樹脂復合材料是以碳纖維為增強體，環氧樹脂為樹脂基體，通過一定的成型工藝復合而成的一類高性能新型材料，其性能優于各組分性能。由于碳纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐摩擦磨損、耐腐蝕、便于大面積整體成型等特點，已廣泛應用于國防工業、航空工業、土木建筑、清潔能源、交通運輸、體育器材等領域[3,4]。
      1 ·實驗部分
      1.1 原料與試劑
      短切碳纖維和環氧樹脂均由連云港中復神鷹碳纖維有限責任公司提供。丙烯酰胺、丙酮以及其它分析純試劑均購于上海國藥化工公司。
      1.2 樣品制備
      將短切碳纖維（SCF）分散于丙酮溶液中，隨后將碳纖維的丙酮溶液超聲分散20 min。在機械攪拌條件下，將環氧樹脂（EP）溶解于丙酮溶液中，待環氧樹脂完全溶解后，將丙烯酰胺（AM）添加到環氧樹脂溶液中。緊接著，將分散均勻的碳纖維丙酮溶液加入到EP/AM 混合溶液中，在機械攪拌下得到均勻的混合液。再將EP、AM、SCF 的混合液在60℃條件下機械攪拌2 h，隨后轉移到真空箱中，在30℃條件下真空脫氣1 h，以完全除去丙酮。最后將得到的粘性混合物倒入內壁涂有真空硅脂的模具中，放入烘箱，100℃下固化1 h，然后150℃下固化1 h。將固化得到的樣條冷卻到室溫條件下脫模。根據短切碳纖維含量的不同，將樣品予以編號，例如SCF8/EP-AM 代表短切碳纖維的質量分數為8 wt%。
      1.3 測試與表征
      SCF/EP-AM 復合材料的力學性能采用三點彎曲性能進行表征，參照標準為GB/T 2567-2008，試驗機型號為CMT6503 萬能試驗機（上海三思“SANS”測試儀器有限公司）。樣條的尺寸為80 mm × 15 mm× 4 mm，樣條的測試條件為跨距64 mm，加載速度為10 mm/min，并且樣條尺寸的測量精度達到0.02 mm。
      摩擦磨損測試在HT-1000 型球- 盤摩擦磨損試驗機上進行，測試樣品尺寸為Φ20 mm× 2 mm，摩擦副為直徑6 mm 的鋼球，測試溫度為室溫，旋轉軸轉速為1000 rpm、1500 rpm 和2000 rpm，載荷為10 N、15 N、20N, 測試半徑為2 mm, 持續時間為40 min。取5~20 min的摩擦系數平均值作為測試樣品在摩擦狀態下的摩擦系數。復合材料的體積磨損率由下面的公式計算[5]:
           
      式中：△m 指磨損量（g），ρ 指測試樣品密度（g/cm3），N 指載荷（N），r 指旋轉半徑（mm），T 指測試時間（min），V 指旋轉速度（r/min）。樣品（表面噴金后） 的磨損表面形貌特征通過VEGA3 LMU（TESCAN, CzechRepublic）型掃描電鏡測試。
      2· 結果與討論
      2.1 碳纖維增強環氧樹脂/ 丙烯酰胺復合材料的力學性能
             
      圖1 顯示的是SCF/EP-AM 復合材料的彎曲強度和彎曲模量隨碳纖維含量的變化圖。由圖1 可知，碳纖維的添加可明顯提高復合材料的彎曲強度和彎曲模量，復合材料的彎曲性能隨著碳纖維含量的增大先增大后降低，當碳纖維含量為8 wt%時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量達到最大值。碳纖維是高性能纖維中比強度和比模量最高的纖維，將碳纖維用作增強填料添加到樹脂中，能夠制備出高強度、高模量、抗疲勞等綜合性能優良的復合材料[6]。因此，碳纖維的添加能夠增強復合材料的彎曲強度和彎曲模量。而當碳纖維含量高于8 wt%后，碳纖維在環氧樹脂基體中的分散性降低，導致應力集中，致使復合材料的彎曲性能降低。
      2.2 碳纖維增強環氧樹脂/ 丙烯酰胺復合材料的摩擦學性能
      SCF/EP-AM 復合材料在穩定摩擦階段的平均摩擦系數和磨損率如圖2 所示。由圖2 可知，碳纖維的添加可有效提高復合材料的摩擦磨損性能，復合材料的摩擦系數和磨損率隨碳纖維含量的增大而降低。添加碳纖維后，碳纖維大大提高了環氧樹脂基體的強度、模量，剛性的碳纖維能夠將摩擦面上的應力和載荷傳遞到環氧樹脂基體，因此碳纖維的添加能夠有效降低復合材料的摩擦系數[7,9]。丙烯酰胺的添加能使碳纖維和環氧樹脂之間具有良好的界面相容性，碳纖維對環氧樹脂基體的強化作用使復合材料的強度大大增加，碳纖維具有良好的熱導率會增強復合材料摩擦表面熱量的擴散，因此碳纖維的添加能夠大大提高復合材料的耐磨性。
             
       圖3 為SCF/EP-AM 復合材料的磨損表面特征SEM 圖。圖3 A 顯示磨損表面出現了很深的犁削磨損溝槽，基體破裂和脫落現象比較嚴重，說明SCF0/EP-AM3復合材料的磨損機理為磨粒磨損。3-4（B、C、D）的磨損表面比較相似，可見環氧樹脂基體的塑性變形和粘著塊，同時也有樹脂基體被切削掉。說明SCF5/EP-AM3、SCF8/EP-AM3 、SCF10/EP-AM3 復合材料的磨損機理為粘著磨損和切削磨損。由此可見，隨著SCF 含量的增加，SCF/EP-AM3 復合材料的磨損機理由磨粒磨損向粘著磨損轉變。
           
       3 ·結論
       SCF/EP-AM 復合材料的彎曲性能隨著碳纖維含量的增大先增大后降低，當碳纖維含量為8 wt%時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量達到最大值。SCF/EP-AM復合材料的摩擦系數和磨損率隨著碳纖維含量的增大而降低，碳纖維的添加能夠有效改善復合材料的摩擦磨損性能。隨著碳纖維含量的增加，SCF/EP-AM 復合材料的磨損機理由磨粒磨損向粘著磨損轉變。