炭纖維復(fù)合材料性能對(duì)比范文

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《新型炭材料雜志》2016年第二期

摘要:

測(cè)試了不同規(guī)格T700級(jí)炭纖維的表面形貌和起毛量，設(shè)計(jì)和模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中的炭纖維損傷實(shí)驗(yàn)，考察了預(yù)浸料制備過(guò)程中各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的炭纖維力學(xué)性能，并測(cè)試了復(fù)合材料基本力學(xué)性能和觀察了復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌，最后結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)T700級(jí)炭纖維復(fù)合材料基本力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比與分析。結(jié)果表明，A-3K和A-12K炭纖維表面粗糙度大，炭纖維與樹(shù)脂基體機(jī)械錨定力大，可在一定程度上提高復(fù)合材料界面黏結(jié)性能;T700SC-12K炭纖維表面光滑，準(zhǔn)直度較高，耐磨性最好，預(yù)浸料制備過(guò)程中炭纖維損傷最小，炭纖維性能轉(zhuǎn)化率最高，T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度最高;A-12K/QY9611復(fù)合材料界面性能與A-3K/QY9611復(fù)合材料相當(dāng)，但拉伸性能略低。

關(guān)鍵詞:

T700級(jí)炭纖維;預(yù)浸料;復(fù)合材料;力學(xué)性能

1前言

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是滿足航空結(jié)構(gòu)高性能化、輕量化要求的理想結(jié)構(gòu)材料，已成為繼木、鋼、鋁合金、鈦合金之后航空領(lǐng)域的主體材料［1，2］，其在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一［3］。作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，炭纖維占復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的60%～70%，主要起承載作用，對(duì)復(fù)合材料性能有重要影響。炭纖維行業(yè)經(jīng)50多年的發(fā)展，以日本Toray(東麗)和美國(guó)Hexcel(赫克塞爾)為代表的先進(jìn)材料制造商已實(shí)現(xiàn)炭纖維標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、實(shí)用化，并重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)航空應(yīng)用炭纖維的自主保障，如美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F-22即選用Hexcel生產(chǎn)的IM7炭纖維［4］。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者大量開(kāi)展了中國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用研究工作，重點(diǎn)關(guān)注上漿劑和炭纖維表面物理化學(xué)特性對(duì)復(fù)合材料界面和濕熱性能的影響研究［5-9］，但對(duì)不同的T700級(jí)炭纖維和復(fù)合材料性能差異及其影響規(guī)律未進(jìn)行深入研究，同時(shí)未開(kāi)展不同規(guī)格即不同絲束大小對(duì)復(fù)合材料性能的影響研究。筆者選用中國(guó)產(chǎn)A-3K炭纖維、A-12K炭纖維和T700SC-12K炭纖維為研究對(duì)象，首先采用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)觀察炭纖維表面形貌，然后通過(guò)炭纖維耐磨性實(shí)驗(yàn)和模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中的炭纖維損傷實(shí)驗(yàn)來(lái)考察不同規(guī)格炭纖維的工藝性和力學(xué)性能損傷情況，測(cè)試復(fù)合材料力學(xué)性能，并對(duì)復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌分析，最后對(duì)T700級(jí)炭纖維復(fù)合材料性能進(jìn)行對(duì)比研究和原因分析，以期為T700級(jí)炭纖維復(fù)合材料的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)

2．1實(shí)驗(yàn)材料中國(guó)產(chǎn)T700級(jí)炭纖維A，規(guī)格3K和12K，記作A-3K和A-12K;日本東麗T700SC-12K炭纖維。3種T700級(jí)炭纖維力學(xué)性能按照GB/T3362-2005測(cè)試，見(jiàn)表1。QY9611雙馬樹(shù)脂，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

2．2炭纖維表面形貌測(cè)試3種炭纖維經(jīng)離子濺射噴金處理后，采用SEM(S-570型，Hitachi公司)觀察纖維的表面形貌。同時(shí)，在力接觸模式下，采用AFM(SolverP47型，俄羅斯NT-MDT公司)評(píng)估炭纖維表面粗糙度。纖維表面粗糙度Ra計(jì)算公式。

2．3炭纖維起毛量測(cè)試3種炭纖維束夾在2塊聚氨酯海綿間，將一定質(zhì)量的砝碼掛在聚氨酯海綿上，絲筒炭纖維束的退繞張力設(shè)定為200g，讓炭纖維束以0．5m/min的速率在10min內(nèi)通過(guò)海綿，測(cè)量附著在海綿上的毛絲量［12，13］。

2．4預(yù)浸料制備采用熱熔法制備A-3K/QY9611、A-12K/QY9611和T700SC-12K/QY9611預(yù)浸料。

2．5模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中的炭纖維損傷實(shí)驗(yàn)每種炭纖維各采用5軸炭纖維模擬預(yù)浸料制備工藝(不使用膠膜，其它工藝與2．4相同)，考察炭纖維在預(yù)浸料關(guān)鍵制備過(guò)程中的損傷情況，根據(jù)預(yù)浸料生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)，共選取八個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)測(cè)試炭纖維力學(xué)性能(圖1):1．送紗前;2．導(dǎo)絲孔后—篦子前;3．篦子后—開(kāi)纖輥前;4．開(kāi)纖輥后-第一加熱板復(fù)合前;5．第一加熱板復(fù)合后-第二加熱板復(fù)合前;6．第二加熱板復(fù)合后-第三加熱板復(fù)合前;7．第三加熱板復(fù)合后-第四加熱板復(fù)合前;8．收卷后。

2．6復(fù)合材料制備將熱熔法制備的預(yù)浸料按照相應(yīng)的鋪層順序進(jìn)行裁剪和鋪貼，采用熱壓罐固化工藝制備復(fù)合材料，復(fù)合材料固化工藝:室溫下抽真空至－0．095MPa，加壓至0．6MPa，然后升溫至125℃恒溫1h，再繼續(xù)升溫至185℃恒溫1h，然后升溫至200℃恒溫5h，最后降溫至70℃以下泄壓。

2．7復(fù)合材料基本力學(xué)性能測(cè)試0°拉伸性能和90°拉伸性能按照ASTMD3039測(cè)試，0°壓縮性能按照ASTMD6641測(cè)試，層間剪切性能按照ASTMD2344測(cè)試。

2．8復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌測(cè)試復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面經(jīng)離子濺射噴金處理后，采用SEM(S-570型，Hitachi公司)觀察其斷面形貌。

3結(jié)果與討論

圖2和圖3分別為炭纖維表面SEM與AFM照片。可以看出:A-3K炭纖維和A-12K炭纖維表面存在明顯的溝槽，且溝槽深淺不同，具有濕噴濕紡工藝的典型特征;T700SC-12K炭纖維表面光滑，溝槽淺且均勻，呈干噴濕紡工藝的特征［5，14］;3種炭纖維表面均存在少量上漿劑顆粒;A-3K炭纖維、A-12K炭纖維和T700SC-12K炭纖維表面粗糙度值分別為34．0、25．1和18．8nm，T700SC-12K炭纖維粗糙度最小，A-3K炭纖維粗糙度略高于A-12K炭纖維。表2為3種炭纖維的起毛量數(shù)據(jù)。采用干噴濕紡生產(chǎn)的T700SC-12K炭纖維的耐磨性優(yōu)于濕噴濕紡生產(chǎn)的A-3K和A-12K炭纖維。相比于A-12K炭纖維，A-3K炭纖維的耐磨性更好。表3和圖4為模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中的A-3K、A-12K和T700SC-12K炭纖維拉伸性能。可以看出，整個(gè)預(yù)浸料制備過(guò)程中，A-3K和T700SC-12K炭纖維拉伸強(qiáng)度損失較小，收卷后炭纖維拉伸強(qiáng)度保持率分別為95．18%和102．15%;而A-12K炭纖維拉伸強(qiáng)度損失明顯，收卷后炭纖維拉伸強(qiáng)度保持率僅為80．34%，損失率達(dá)19．66%，損失最嚴(yán)重的環(huán)節(jié)發(fā)生在第一加熱板后，而且第一加熱板后、第二加熱板后、第三加熱板后和收卷后的炭纖維拉伸強(qiáng)度離散較大，分別為16．10%、15．84%、10．49%和16．59%。

觀察模擬預(yù)浸料制備過(guò)程后的炭纖維發(fā)現(xiàn)，T700SC-12K炭纖維起毛較少，且基本保持預(yù)浸料制備前的集束狀態(tài);A-3K和A-12K炭纖維起毛較多，存在明顯的分散，A-3K炭纖維集束性略好于A-12K炭纖維。表4給出了3種炭纖維的復(fù)合材料基本力學(xué)性能。圖5為室溫干態(tài)下復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌。A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面界面上纖維與樹(shù)脂基體結(jié)合緊密，界面開(kāi)裂少，基本沒(méi)有纖維完全拔脫現(xiàn)象，表明A炭纖維與QY9611具有良好的界黏結(jié)性能。T700SC-12K/QY9611與A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面存在較大差異，T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料90°拉伸斷面上存在大量單根纖維與樹(shù)脂脫離后留在樹(shù)脂基體上的痕跡，主要是由于T700SC-12K炭纖維表面光滑，準(zhǔn)直度較高，界面性能相對(duì)較差［15，16］。

從表4可以看出，A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度均低于T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料。根據(jù)復(fù)合材料混合定律［17］，以復(fù)合材料纖維體積含量60%為參考，利用表1炭纖維力學(xué)性能計(jì)算得出A-3K/QY9611、A-12K/QY9611和T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度保持率分別為85%、72%和102%。T700SC-12K炭纖維性能轉(zhuǎn)化率最高，A-3K炭纖維性能轉(zhuǎn)化率高于A-12K炭纖維。主要有以下原因:A-3K和A-12K炭纖維采用濕紡工藝制備，纖維表面粗糙(圖2(a，b)和圖3(a，b))，準(zhǔn)直度較低，纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合緊密(圖5(a，b))，存在一定應(yīng)力，對(duì)復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度存在一定影響;而T700炭纖維采用干噴濕紡工藝制備，表面光滑(圖2(a)和圖3(a))，纖維準(zhǔn)直度較高，能最大程度發(fā)揮炭纖維強(qiáng)度;T700SC-12K炭纖維起毛量最少(表2)，耐磨性最好，制備預(yù)浸料時(shí)炭纖維的工藝性最佳，這樣可減少預(yù)浸料制備過(guò)程中的炭纖維損傷，有利于充分發(fā)揮炭纖維性能，提高復(fù)合材料力學(xué)性能保持率［12］。

模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中的炭纖維拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，在模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中，T700SC-12K炭纖維損傷最小，T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度最高。對(duì)于A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料性能，90°拉伸、0°壓縮和層間剪切性能基本相當(dāng)，但A-12K/QY9611比A-3K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度低406MPa。A-3K炭纖維起毛量少于A-12K炭纖維，即耐磨性好，且在模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中，A-3K炭纖維損傷較小，A-12K炭纖維損傷達(dá)19．66%，導(dǎo)致A-12K炭纖維性能轉(zhuǎn)化率過(guò)低，A-12K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度較低。A-3K和A-12K炭纖維采用同一種上漿劑，但炭纖維起毛量是A-3K炭纖維的3倍，可能是由于A-12K炭纖維上漿劑含量略低造成(表1)，同時(shí)可能與12K炭纖維制備工藝有關(guān)。A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料界面性能如90°拉伸強(qiáng)度、0°壓縮強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度［7，16］均高于T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料。這主要是由于A-3K和A-12K炭纖維表面粗糙度較大(圖2(a，b)和圖3(a，b))，炭纖維與樹(shù)脂基體的機(jī)械錨定力大，一定程度上提高了復(fù)合材料界面黏結(jié)性能［18，19］。同時(shí)，復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌(圖5)表明A-3K和A-12K炭纖維與樹(shù)脂基體界面結(jié)合緊密，而T700SC-12K炭纖維表面光滑，界面性能相對(duì)較差。

4結(jié)論

炭纖維耐磨性實(shí)驗(yàn)和模擬預(yù)浸料制備過(guò)程中的炭纖維損傷實(shí)驗(yàn)表明，T700SC-12K炭纖維耐磨性最好，損傷最小，炭纖維性能轉(zhuǎn)化率最高，T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度最高。A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料90°拉伸、0°壓縮和層間剪切性能基本相當(dāng)，但A-12K/QY9611比A-3K/QY9611復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度低406MPa。A-3K和A-12K炭纖維表面粗糙度大于T700SC-12K炭纖維，炭纖維與樹(shù)脂基體機(jī)械錨定力大，A-3K/QY9611和A-12K/QY9611復(fù)合材料界面性能高于T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料。復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌分析佐證了A-3K和A-12K炭纖維與樹(shù)脂基體界面結(jié)合緊密，而T700SC-12K炭纖維準(zhǔn)直度較高，炭纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合相對(duì)較差。

作者：彭公秋 石峰暉 王迎芬 李國(guó)麗 鄭洪亮 張寶艷  謝富原 單位：中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司