T700級炭纖維復(fù)合材料性能對比

彭公秋，　石峰暉，　王迎芬，　李國麗，　鄭洪亮，　張寶艷，　謝富原

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司， 北京101300)

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T700級炭纖維復(fù)合材料性能對比

彭公秋，石峰暉，王迎芬，李國麗，鄭洪亮，張寶艷，謝富原

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司， 北京101300)

摘要：測試了不同規(guī)格T700級炭纖維的表面形貌和起毛量，設(shè)計和模擬預(yù)浸料制備過程中的炭纖維損傷實驗，考察了預(yù)浸料制備過程中各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的炭纖維力學(xué)性能，并測試了復(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)合上述實驗結(jié)果對T700級炭纖維復(fù)合材料基本力學(xué)性能進(jìn)行了對比與分析。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)計性強(qiáng)等優(yōu)點，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Hexcel(赫克塞爾)為代表的先進(jìn)材料制造商已實現(xiàn)炭纖維標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、實用化，并重點實現(xiàn)航空應(yīng)用炭纖維的自主保障，如美國第四代戰(zhàn)機(jī)F-22即選用Hexcel生產(chǎn)的IM7炭纖維[4]。近年來，中國學(xué)者大量開展了中國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用研究工作，重點關(guān)注上漿劑和炭纖維表面物理化學(xué)特性對復(fù)合材料界面和濕熱性能的影響研究[5-9]，但對不同的T700級炭纖維和復(fù)合材料性能差異及其影響規(guī)律未進(jìn)行深入研究，同時未開展不同規(guī)格即不同絲束大小對復(fù)合材料性能的影響研究。

筆者選用中國產(chǎn)A-3K炭纖維、A-12K炭纖維和T700SC-12K炭纖維為研究對象，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，然后通過炭纖維耐磨性實驗和模擬預(yù)浸料制備過程中的炭纖維損傷實驗來考察不同規(guī)格炭纖維的工藝性和力學(xué)性能損傷情況，測試復(fù)合材料力學(xué)性能，并對復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌分析，最后對T700級炭纖維復(fù)合材料性能進(jìn)行對比研究和原因分析，以期為T700級炭纖維復(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實驗

2.1實驗材料

中國產(chǎn)T700級炭纖維A，規(guī)格3 K和12 K，記作A-3K和A-12K；日本東麗T700SC-12K炭纖維。3種T700級炭纖維力學(xué)性能按照GB/T 3362-2005測試，見表1。QY9611雙馬樹脂，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

表 1　炭纖維力學(xué)性能

2.2炭纖維表面形貌測試

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，在力接觸模式下，采用AFM(Solver P47型，俄羅斯NT-MDT公司)評估炭纖維表面粗糙度。纖維表面粗糙度Ra計算公式如下[10,11]：

(1)

式中，yi為基于基準(zhǔn)線的表面輪廓高度，n為所取的輪廓偏距數(shù)?；鶞?zhǔn)線為劃分輪廓并使基線在取樣長度內(nèi)輪廓偏離該線的平方和最小。

2.3炭纖維起毛量測試

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200 g，讓炭纖維束以0.5 m/min的速率在10 min內(nèi)通過海綿，測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)浸料制備過程中的炭纖維損傷實驗

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)鍵制備過程中的損傷情況，根據(jù)預(yù)浸料生產(chǎn)過程特點，共選取八個關(guān)鍵環(huán)節(jié)測試炭纖維力學(xué)性能(圖1)：1.送紗前；2.導(dǎo)絲孔后—篦子前；3.篦子后—開纖輥前；4.開纖輥后-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。

圖 1　預(yù)浸料制備過程示意圖

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-0.095 MPa，加壓至0.6 MPa，然后升溫至125 ℃恒溫1 h，再繼續(xù)升溫至185 ℃恒溫1 h，然后升溫至200 ℃恒溫5 h，最后降溫至70 ℃以下泄壓。

2.7復(fù)合材料基本力學(xué)性能測試

0°拉伸性能和90°拉伸性能按照ASTM D 3039測試，0°壓縮性能按照ASTM D 6641測試，層間剪切性能按照ASTM D 2344測試。

2.8復(fù)合材料90°拉伸破壞試樣斷面形貌測試

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?？梢钥闯觯篈-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18.8 nm，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。

圖 2　炭纖維表面SEM照片：(a)A-3K、(b)A-12K與(c)T700SC-12K炭纖維

圖 3　炭纖維表面AFM照片：(a)A-3K、(b)A-12K與(c)T700SC-12K炭纖維

FibertypeFeatheramountm/mgA-3K1.51A-12K4.52T700SC-12K1.12

表3和圖4為模擬預(yù)浸料制備過程中的A-3K、A-12K和T700SC-12K炭纖維拉伸性能?？梢钥闯?，整個預(yù)浸料制備過程中，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。

表 3　模擬預(yù)浸料制備過程各關(guān)鍵環(huán)節(jié)炭纖維力學(xué)性能

Note：σ—tensile strength;Cv—retention of tensile strength.

圖 4　模擬預(yù)浸料制備過程各關(guān)鍵環(huán)節(jié)炭纖維力學(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脂基體結(jié)合緊密，界面開裂少，基本沒有纖維完全拔脫現(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脂脫離后留在樹脂基體上的痕跡，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，纖維與樹脂界面結(jié)合緊密(圖5(a, b))，存在一定應(yīng)力，對復(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)浸料時炭纖維的工藝性最佳，這樣可減少預(yù)浸料制備過程中的炭纖維損傷，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)浸料制備過程中的炭纖維拉伸性能實驗結(jié)果同樣表明，在模擬預(yù)浸料制備過程中，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。

表 4　復(fù)合材料力學(xué)性能

圖 5　室溫干態(tài)下的復(fù)合材料90°拉伸斷面的SEM照片：(a) A-3K/QY9611、(b)A-12K/QY9611及(c)T700SC-12K/QY9611復(fù)合材料

對于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406 MPa。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)，同時可能與12 K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，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，界面性能相對較差。

4結(jié)論

炭纖維耐磨性實驗和模擬預(yù)浸料制備過程中的炭纖維損傷實驗表明，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406 MPa。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，炭纖維與樹脂界面結(jié)合相對較差。

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Effects of three types of T700 carbon fiber on the mechanical properties of their composites with bismaleimide resin

PENG Gong-qiu,SHI Feng-hui,WANG Ying-fen,LI Guo-li,ZHENG Hong-liang,ZHANG Bao-yan,XIE Fu-yuan

(AVICCompositeCorporationLtd,Beijing101300,China)

Abstract:Three types of T700 carbon fibers, A-3K, A-12K and T700SC-12K, were used as reinforcements of carbon fiber/bismaleimide resin composites. The surface roughness and fuzziness of the three fibers, their damage in the preparation of the prepreg and the mechanical properties of the final composites were compared. Results indicate that the surface roughness and fuzziness of A-3K and A-12K produced using a wet-spinning method are larger than that of T700SC-12K from a dry-jet wet-spinning method. The tensile strength retention ratio in the direction parallel to the fiber axis from fibers to composites of T700SC-12K is higher than those of A-3K and A-12K, owing to the smooth surface, best wear resistance and the minimum damage produced during the preparation of the prepreg for the former. The decreasing order of tensile strength in the direction parallel to the fiber axis of the composites is T700SC-12K, A-3K and A-12K. The interfacial bonding for the composites from A-3K and A-12K is much better compared with T700SC-12K because the former two have stronger mechanical anchoring between fibers and resin matrix than the third.

Keywords:T700 grade carbon fiber; Prepreg; Composite; Mechanical properties

文章編號：1007-8827(2016)02-0176-06

中圖分類號:TQ342+.74

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期：2016-01-10;修回日期：2016-03-26

通訊作者:彭公秋,高級工程師. E-mail: penggongqiu625@163.com

Corresponding author:PENG Gong-qiu, Senior Engineer, E-mail: penggongqiu625@163.com