基于手工制樣的碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試方法

林 婷

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司質(zhì)量管理中心，上海200540)

基于手工制樣的碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試方法

林 婷

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司質(zhì)量管理中心，上海200540)

拉伸性能是碳纖維性能中一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)手工制樣的試樣浸膠時(shí)間、固化時(shí)間、加強(qiáng)片的選擇、膠水鋪設(shè)方法及拉伸測(cè)試中拉伸速度進(jìn)行試驗(yàn)，確定手工制樣中試樣浸膠時(shí)間為3 min，固化時(shí)間為3 min，加強(qiáng)片選用牛皮紙，拉伸測(cè)試中拉伸速度為15 mm/min，采用平鋪膠水鋪設(shè)方法，可有效提高拉伸測(cè)試的可靠性和準(zhǔn)確性。

碳纖維 拉伸性能 手工制樣

碳纖維是一種含碳量大于90%的高強(qiáng)、高模、耐高溫特種纖維，它以聚丙烯腈(PAN)、瀝青、黏膠纖維等為原料，經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化、石墨化等工藝而制得，其中PAN基碳纖維發(fā)展較快，成為最主要的碳纖維品種。由于碳纖維具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電與導(dǎo)熱等優(yōu)異性能，是航空航天工業(yè)中不可缺少的工程材料，在體育娛樂(lè)、休閑用品、汽車冶金、醫(yī)療衛(wèi)生和土木建筑方面也有廣泛應(yīng)用，是一種軍民兩用的高科技纖維[1]。

由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等各方面的限制，國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維微觀力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究還很不成熟。碳纖維本身存在各種各樣的內(nèi)部和外部缺陷，使得其拉伸性能存在較大的離散性，為測(cè)試帶來(lái)了不確定性。國(guó)內(nèi)目前采用的測(cè)試方法基本上都依據(jù)GB/T 3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，即通過(guò)浸漬樹(shù)脂固化后纖維的拉伸加載直至破壞來(lái)測(cè)定碳纖維復(fù)絲拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量。浸漬樹(shù)脂固化可分為機(jī)械法浸膠和手工浸膠兩種，其中機(jī)械法浸膠的測(cè)試周期較長(zhǎng)，破壞纖維的風(fēng)險(xiǎn)較大，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。目前市場(chǎng)上碳纖維生產(chǎn)廠家和測(cè)試機(jī)構(gòu)采用手工法浸膠居多，此法對(duì)纖維的破壞相對(duì)較小，但對(duì)操作人員的要求較高[2]。由于手工浸膠方法的浸膠時(shí)間、固化時(shí)間、加強(qiáng)片材料、拉伸速度等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響，而標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3362—2005中并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，為了掌握碳纖維復(fù)絲拉伸測(cè)試方法，建立更具體的碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法，文章對(duì)手工制樣的試樣浸膠時(shí)間、固化時(shí)間、加強(qiáng)片的選擇、膠水鋪設(shè)方法及拉伸測(cè)試中拉伸速度進(jìn)行試驗(yàn)，確定手工制樣和拉伸測(cè)試條件，提高拉伸測(cè)試的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原理

碳纖維復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量通過(guò)浸膠固化后纖維的拉伸加載直至破壞來(lái)測(cè)定。拉伸強(qiáng)度由破壞載荷除以碳纖維復(fù)絲的截面積來(lái)得到，彈性模量由應(yīng)力應(yīng)變曲線上初始接近直線部分切線的斜率得到，碳纖維復(fù)絲的截面積用線密度除以密度得到。

1.2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

(1)自制繃架，浸膠槽；

(2)環(huán)氧樹(shù)脂：E44；

(3)三乙烯四胺：化學(xué)純；

(4)日本東麗公司生產(chǎn)的T-700碳纖維和中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)腈綸部生產(chǎn)的T-300碳纖維；

(5)牛皮紙：厚1.5 mm,長(zhǎng)120 cm，寬90 cm，質(zhì)量為120 g；

(6)膠液配比：浸漬溶液按環(huán)氧樹(shù)脂(E44)∶固化劑(三乙烯四胺)∶丙酮=10∶1∶12。

1.3 制樣過(guò)程

(1)將碳纖維絲束經(jīng)狀態(tài)調(diào)濕后沿其順直方向抽出一定長(zhǎng)度碳纖維束絲進(jìn)行繞取。用繃架在一定張力下手工卷繞碳絲，并做好標(biāo)記，避免樣品混淆。每個(gè)樣品繞取5圈(10根碳棒)。

(2)按膠液配比的要求稱取適量的樹(shù)脂和丙酮，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝?，倒入浸漬槽；再稱取適量的固化劑倒入混合溶液，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颉?/p>

(3)將繞好的碳絲浸入漬液浸漬3 min,取出浸漬好的繃架，用報(bào)紙控掉一定量的膠液(使制成的試樣樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～50%，同時(shí)不形成膠滴)，用文具夾夾住碳絲的兩頭，使碳絲不并層；將已控好膠的繃架，放入120 ℃的烘箱中保溫60 min。

(4)取出已滿足碳纖維絲束固化條件的綁絲架，逐一剪下碳棒，并將樹(shù)脂與固化劑按10∶1的比例進(jìn)行點(diǎn)膠液的配置。用牛皮紙粘貼點(diǎn)膠，并保證制得的試樣在加強(qiáng)片之間的長(zhǎng)度為(150±0.5) mm。點(diǎn)膠固化條件：溫度為90 ℃，保溫時(shí)間為120 min。

(5)碳棒固化時(shí)間滿足后，按標(biāo)記逐漸剪下碳棒(剪開(kāi)時(shí)保證加強(qiáng)片寬度為20 mm)，檢查試樣外觀、樹(shù)脂含量、在加強(qiáng)片之間的長(zhǎng)度，對(duì)于合格的試樣進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)后進(jìn)行拉伸測(cè)試，若不合格試樣超過(guò)4根，應(yīng)補(bǔ)充制樣。

1.4 拉伸性能測(cè)試

(1)萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)使用前的準(zhǔn)備工作。在儀器的縫隙處，用膠帶全部封好，以防碳纖維雜質(zhì)接觸到儀器的導(dǎo)電部件從而損壞儀器；在儀器的拉伸敞開(kāi)面，用隔離裝置防護(hù)，防止拉伸試驗(yàn)時(shí)斷裂的碳纖維四濺，從而傷害操作人員。

(2)打開(kāi)萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)的電源，并預(yù)熱30 min。

(3)打開(kāi)萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)的測(cè)試軟件，設(shè)定拉伸條件：預(yù)載，50 N；拉伸距離，150 mm；拉伸模量測(cè)試速度，15 mm/min；試驗(yàn)速度，15 mm/min。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉儀器并及時(shí)切斷電源。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸膠時(shí)間試驗(yàn)

浸膠時(shí)間的控制以膠水能夠完全滲透到碳纖維束絲中使其無(wú)孔洞為宜。對(duì)不同浸膠時(shí)間的樣品(上海石化腈綸部T-300)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸膠時(shí)間的長(zhǎng)短影響斷裂強(qiáng)度，尤其對(duì)上海石化腈綸部T-300樣品的影響更為明顯，而且時(shí)間過(guò)短，樣品的離散明顯增加，綜合考慮最終確定浸膠時(shí)間為3 min。

表1 浸膠時(shí)間確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 固化時(shí)間試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 3362—2005方法的規(guī)定，固化時(shí)間需在30 min以上，分別對(duì)東麗T-700樣品進(jìn)行不同固化時(shí)間的試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 固化時(shí)間確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出：固化時(shí)間對(duì)拉伸性能沒(méi)有明顯影響，為了節(jié)約測(cè)試時(shí)間，固化時(shí)間最終選擇30 min。

2.3 加強(qiáng)片試驗(yàn)

采用黑紙片、牛皮紙和加厚黑卡紙3種不同類型的加強(qiáng)片，對(duì)東麗T-700樣品進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以判斷：牛皮紙的斷裂強(qiáng)度離散值小于黑紙片和加厚黑卡紙，所以選用牛皮紙為加強(qiáng)片。

表3 加強(qiáng)片確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

2.4 控膠試驗(yàn)

不控膠時(shí)膠液容易形成膠滴，而且碳棒的樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)容易超GB/T 3362—2005的規(guī)定(35%～50%)，存在影響數(shù)據(jù)的可能性。在控膠和不控膠兩種情況下分別對(duì)東麗T-700樣品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 控膠確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出：雖然是否控膠對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響不大，但是在斷裂拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中，斷裂容易出現(xiàn)在膠滴處，不符合方法的要求，所以采取控膠的方式控制樹(shù)脂含量。

2.5 膠水鋪設(shè)試驗(yàn)

在點(diǎn)鋪和平鋪兩種點(diǎn)膠方式下對(duì)東麗T-700樣品進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 膠水鋪設(shè)方式確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出：點(diǎn)膠方式對(duì)拉伸性能影響較大，是影響碳纖維拉伸性能的關(guān)鍵條件。當(dāng)采用膠水點(diǎn)鋪時(shí)，其拉伸強(qiáng)度小于5 000 MPa，離散值在6%以上，而且斷裂形態(tài)不符合GB/T 3362—2005的要求；采用膠水平鋪后，拉伸強(qiáng)度大于5 000 MPa，離散值在5%上下波動(dòng)，且多數(shù)斷裂在碳棒中部，符合GB/T 3362—2005的要求，所以點(diǎn)膠的膠水鋪設(shè)方式采用平鋪。

2.6 拉伸速度試驗(yàn)

對(duì)東麗T-700樣品在不同的拉伸速度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出：在方法規(guī)定的拉伸速度范圍內(nèi)(2～20 mm/min)，不同拉伸速度對(duì)拉伸強(qiáng)度基本無(wú)影響，為了提高分析效率，將原來(lái)測(cè)試速度從10 mm/min改為15 mm/min。

表6 拉伸速度確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果

2.7 對(duì)比試驗(yàn)

2.7.1 不同制樣方式比較

為了驗(yàn)證摸索的手工制樣方法與機(jī)械制樣的異同，對(duì)4批樣品進(jìn)行手工制樣方法進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表7所示。

表7 手工制樣與機(jī)械制樣比對(duì)試驗(yàn)

由4批上海石化腈綸部樣品不同制樣方法數(shù)據(jù)可以得出：手工制樣的強(qiáng)度均值略高于機(jī)械制樣，總體強(qiáng)度離散值略小于機(jī)械強(qiáng)度離散值，離散值大于6%的樣本數(shù)明顯下降，復(fù)測(cè)后離散值均小于6%，意味著執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的概率增加。根據(jù)分析結(jié)果可知，手工制樣的可控性比機(jī)械制樣高，強(qiáng)度略高于機(jī)械制樣，按照上海石化腈綸部碳纖維現(xiàn)有的質(zhì)量情況，手工制樣的結(jié)果更易符合國(guó)標(biāo)的要求。

為了讓膠液完全滲透至碳纖維內(nèi)部，機(jī)械制樣時(shí)需要進(jìn)行反復(fù)的繞滾，使得浸膠量控制在60%左右，高于35%～50%的要求，而且斷裂形態(tài)容易出現(xiàn)在碳棒根部；手工制樣后的碳棒浸膠量能穩(wěn)定控制在40%左右，斷裂形態(tài)也集中在碳棒的中部,符合要求，手工制樣減少了繞滾的環(huán)節(jié)，減少異味的揮發(fā)，使得實(shí)驗(yàn)室環(huán)境得到了改善，保障了員工的職業(yè)健康。

2.7.2 人員比對(duì)試驗(yàn)

考慮到手工制樣方法對(duì)人員的要求高，根據(jù)上述確定的試驗(yàn)條件，由經(jīng)過(guò)規(guī)范操作培訓(xùn)后的12名員工進(jìn)行了人員測(cè)試比對(duì)試驗(yàn)，樣品為東麗T-700和上海石化腈綸部140928-189。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，筒內(nèi)離散值東麗T-700樣品為1.87%，上海石化腈綸部140928-189樣品為2.48%，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T 3362—2005的要求(6%)，表明確定制樣條件后，經(jīng)過(guò)規(guī)范的操作培訓(xùn)，員工可以較好地掌握手工制樣方法。

2.7.3 實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證手工制樣的可靠性和準(zhǔn)確性，分別送4個(gè)上海石化腈綸部樣品到3家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行外部比對(duì)，3家比對(duì)實(shí)驗(yàn)室均采用手工制樣，但繃架和測(cè)試條件因保密等原因，無(wú)法得知。經(jīng)與外部實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比可知：按照GB/T 3362—2005筒內(nèi)離散值應(yīng)小于6%的要求，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果均小于6%，不同班別之間的筒內(nèi)離散值均小于6%。比對(duì)結(jié)果令人滿意，表明所確定的制樣條件是可靠的，可以滿足拉伸性能測(cè)試的要求，人員對(duì)于方法的掌握處于受控狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)確定手工制樣的器具和手工浸膠的條件是適當(dāng)?shù)?，所進(jìn)行的人員比對(duì)、與外部實(shí)驗(yàn)室比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果以及與機(jī)器制樣的比對(duì)結(jié)果表明，測(cè)定的準(zhǔn)確度和可靠性是可以滿足上海石化腈綸部碳纖維拉伸性能測(cè)試分析要求，所建立的手工制樣的測(cè)試條件對(duì)測(cè)試樣品具有適用性，提高了分析效率。

[1] 張為芹，田艷紅.高強(qiáng)碳纖維束絲拉伸性能測(cè)試影響因素的研究[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2006(11)：541-543.

[2] 郭志濤，孫德成.T300碳纖維復(fù)絲拉伸試樣制備和測(cè)試研究[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013(17)：160-161.

Test Method for Tensile Properties of Carbon Fiber Multifilament Based on Manual Sample Preparation

Lin Ting

(QualityControlCenter,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

Tensile property is an important index in the evaluation of performance of carbon fiber.The dipping time,curing time,selection of reinforcement,glue laying method and tensile speed in tensile test are tested for manual sample.It was determined the dipping time and curing time for manual sample were 3 min respectively.Kraft paper was used as reinforcing sheet.The tensile speed was 15 mm/min in the tensile test.The tiling glue laying method could improve the reliability and accuracy of the test.

carbon fiber,tensile properties,manual sample preparation

2016-10-29。

林婷，女，1987年出生，2008年畢業(yè)于揚(yáng)州大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，工程師，目前從事分析管理工作。

1674-1099 (2016)06-0024-04

TQ342+.7

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