碳纖維絲束表面潤(rùn)濕性能的紅外熱成像法觀測(cè)*

陸龍生　孫佳偉　張飛翔　劉小康

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

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碳纖維絲束表面潤(rùn)濕性能的紅外熱成像法觀測(cè)*

陸龍生孫佳偉張飛翔劉小康

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

摘要:碳纖維表面的潤(rùn)濕性能是影響碳纖維復(fù)合材料性能的重要因素.由于碳纖維的絲徑過(guò)小以及測(cè)量工質(zhì)的透明特征,在采用傳統(tǒng)的潤(rùn)濕性能測(cè)試方法測(cè)試時(shí)操作要求苛刻和潤(rùn)濕邊界模糊,實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性小和誤差較大.為此,文中提出了一種新的碳纖維毛細(xì)潤(rùn)濕紅外熱成像觀測(cè)法,觀測(cè)了光滑形貌和粗糙形貌碳纖維表面的潤(rùn)濕性能,考察了碳纖維絲束潤(rùn)濕高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與毛細(xì)上升的經(jīng)典理論Laplace-Washburn模型進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明,碳纖維絲束在快速潤(rùn)濕階段的潤(rùn)濕高度與潤(rùn)濕時(shí)間的平方根成正比(h∝ ),在過(guò)渡階段的潤(rùn)濕高度與潤(rùn)濕時(shí)間的立方根成正比(h∝ ),與理論研究結(jié)果一致,從而驗(yàn)證了紅外熱成像法觀測(cè)的碳纖維絲束潤(rùn)濕高度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,可用于表征碳纖維絲束的表面潤(rùn)濕性能.

關(guān)鍵詞：碳纖維；紅外熱成像法；表面潤(rùn)濕性能

碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能,因其強(qiáng)度高、模量高、比重小、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)[1],制備的復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、交通運(yùn)輸和生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域[2].碳纖維復(fù)合材料性能與碳纖維和基體材料(樹脂、塑料等)之間的界面性能密切相關(guān),如果碳纖維表面的界面性能不佳,則制備的復(fù)合材料容易產(chǎn)生氣孔缺陷,受載時(shí)易造成層間應(yīng)力集中,導(dǎo)致整體力學(xué)性能下降[3].潤(rùn)濕性能是研究復(fù)合材料界面性能的重要指標(biāo)之一[4],因而需要對(duì)碳纖維的表面潤(rùn)濕性能進(jìn)行研究.

根據(jù)固體材料的固有強(qiáng)度理論,為提高強(qiáng)度,碳纖維的絲徑不斷被縮小,目前常見(jiàn)的絲徑不大于7.0 μm,如日本東麗T700的絲徑為7.0 μm,T800的為5.3 μm,T1000的為5.0 μm.過(guò)小的絲徑會(huì)造成其單絲的表面潤(rùn)濕性能測(cè)試相對(duì)復(fù)雜和困難.Park等[5]采用Wilhelmy吊片法來(lái)測(cè)量碳纖維單絲接觸角,以表征碳纖維的潤(rùn)濕性能.然而,單絲碳纖維的剛性弱，無(wú)法保證單絲垂直浸入樹脂基體,難以確定碳纖維單絲為豎直浸潤(rùn),實(shí)驗(yàn)條件要求較高.目前,毛細(xì)上升法開(kāi)始應(yīng)用于碳纖維絲束的潤(rùn)濕性能測(cè)試,該技術(shù)利用精密的圖像記錄分析儀器或者測(cè)力儀對(duì)毛細(xì)潤(rùn)濕過(guò)程中碳纖維絲束的潤(rùn)濕高度或質(zhì)量變化進(jìn)行觀測(cè),以分析碳纖維的潤(rùn)濕性能[6].錢程等[7]將碳纖維絲束固定在刻度尺,用數(shù)碼電子顯微鏡記錄數(shù)據(jù),得到了潤(rùn)濕高度隨時(shí)間的變化規(guī)律,但由于潤(rùn)濕液體為無(wú)色透明狀且邊界模糊,因而測(cè)量誤差較大.趙金華等[8]將纖維絲束一端固定在帶有數(shù)據(jù)采集功能的表面/界面張力儀上,另一端剛好浸入測(cè)試液體中,樹脂在毛細(xì)壓力作用下潤(rùn)濕碳纖維,連接到張力儀的數(shù)據(jù)采集儀器以記錄隨時(shí)間變化的樹脂浸潤(rùn)質(zhì)量.然而,該方法沒(méi)有實(shí)現(xiàn)可視化操作,無(wú)法觀測(cè)碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕過(guò)程,在研究碳纖維的潤(rùn)濕性能方面存在不足.

紅外熱成像法利用物體輻射系數(shù)的不同,可對(duì)同等溫度條件下的固液邊界進(jìn)行良好的區(qū)分.如Tang等[9]利用紅外熱成像法對(duì)溝槽/銅粉燒結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的無(wú)色乙醇潤(rùn)濕性能進(jìn)行了有效觀測(cè).Ravey等[10]采用紅外熱成像法對(duì)無(wú)色十六烷在碳纖維氈中的浸潤(rùn)擴(kuò)展情況進(jìn)行了觀測(cè).雖然目前利用紅外熱成像法觀測(cè)毛細(xì)上升現(xiàn)象的研究已逐漸成熟,然而關(guān)于碳纖維絲束表面潤(rùn)濕性能的紅外熱成像法觀測(cè)卻鮮有報(bào)道.因此,采用紅外熱成像法觀測(cè)碳纖維絲束的表面潤(rùn)濕性能,具有理論和工程意義.

Laplace-Washburn方程是分析潤(rùn)濕性能的常用理論模型.經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)之后,Laplace-Washburn方程成為證明潤(rùn)濕性能測(cè)試方法可靠性的基本工具[11].Ferrero[12]根據(jù)毛細(xì)潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制h2-t散點(diǎn)圖,與Laplace-Washburn方程的擬合直線相吻合,由此證明了毛細(xì)潤(rùn)濕法觀測(cè)潤(rùn)濕性能的可靠性.Wei等[6]在利用毛細(xì)上升的增壓和靜壓效應(yīng)測(cè)試潤(rùn)濕性能時(shí)發(fā)現(xiàn),其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Laplace-Washburn方程的推導(dǎo)方程的擬合直線相吻合,證明了通過(guò)測(cè)量壓差來(lái)表征潤(rùn)濕性能的可靠性.因此,可采用Laplace-Washburn方程的理論模型來(lái)證明紅外熱成像法觀測(cè)碳纖維表面潤(rùn)濕性能的可靠性.

為此,文中采用紅外熱成像法觀測(cè)碳纖維絲束表面潤(rùn)濕性能,根據(jù)Laplace-Washburn理論模型來(lái)分析潤(rùn)濕高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),以證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和有效性.

1實(shí)驗(yàn)材料與裝置

1.1實(shí)驗(yàn)材料

為降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率,同時(shí)為了和前端工序相結(jié)合,碳纖維生產(chǎn)時(shí)普遍以絲束的形式存在[13].為了便于測(cè)量,文中的碳纖維直接采用目前應(yīng)用最廣的碳纖維絲束形式,每束碳纖維為12×103根(簡(jiǎn)稱為12 K).為了觀測(cè)不同表面形貌對(duì)碳纖維表面潤(rùn)濕性能的影響,文中選擇了兩種物理性能相近、表面結(jié)構(gòu)差異較大的碳纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn),它們分別為中復(fù)神鷹公司生產(chǎn)的SYT49S和土耳其AKSA公司生產(chǎn)的A42,具體性能參數(shù)見(jiàn)表1,相關(guān)數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供.

兩種碳纖維的表面結(jié)構(gòu)如圖1所示.碳纖維SYT49S的表面光滑,以下簡(jiǎn)稱為光滑碳纖維.碳纖維A42的表面有沿軸向排布的微溝槽,其寬度和深度主要集中在10 nm量級(jí),以下簡(jiǎn)稱粗糙碳纖維.

表1　碳纖維原絲的性能參數(shù)

(a)光滑碳纖維

(b)粗糙碳纖維

物體表面的潤(rùn)濕性能也與其化學(xué)成分密切相關(guān)[14].為了防止化學(xué)成分對(duì)潤(rùn)濕性能的影響而干擾表面形貌,文中對(duì)兩種形貌的碳纖維進(jìn)行了EDS能譜分析(Bruker),結(jié)果見(jiàn)表2.

表2碳纖維的表面成分及含量

Table 2Surface component content of carbon fiber

%

EDS測(cè)試結(jié)果表明,兩種碳纖維的表面都是由C和O元素組成,粗糙碳纖維的C含量比光滑碳纖維的C含量低1.08%,而O含量則比光滑碳纖維的高1.08%,相對(duì)誤差較小.因此，文中忽略了化學(xué)成分對(duì)兩種碳纖維潤(rùn)濕性能的影響,認(rèn)為兩種碳纖維的表面潤(rùn)濕性能的差異主要是由表面形貌差異造成.

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用的毛細(xì)潤(rùn)濕紅外測(cè)試平臺(tái)如圖2所示,由紅外熱成像儀、樣品夾持裝置、液位升降裝置、數(shù)據(jù)采集PC和隔離罩等部分組成.紅外熱成像儀采用FLIR SC3000,在環(huán)境溫度(30 ℃)下的熱靈敏度為0.08 ℃,溫度在-40～150 ℃之間的精確度為1%.碳纖維潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)在帶小孔的隔離罩中進(jìn)行,這種隔離罩將碳纖維測(cè)試環(huán)境與周邊分離,一方面減少了直射光源對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的照射,避免紅外熱成像儀在測(cè)試過(guò)程中受到外界環(huán)境的影響；另一方面確保在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)部處于飽和蒸汽環(huán)境,內(nèi)部的液體和碳纖維絲束不會(huì)受到外界環(huán)境如空氣流動(dòng)等因素的干擾.樣品夾持裝置實(shí)現(xiàn)了碳纖維絲束的豎直潤(rùn)濕測(cè)試.液位升降裝置用于控制潤(rùn)濕液體的升降,便于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行.

圖2　毛細(xì)潤(rùn)濕紅外測(cè)試平臺(tái)示意圖

Fig.2Schematic diagram of the capillary wetting test by IR platform

1.3紅外熱成像測(cè)試方法

(1)集束預(yù)處理碳纖維絲束

研究表明,纖維絲束的集散性將極大地影響其毛細(xì)潤(rùn)濕性能[15].為此,需要采用一定的預(yù)處理方法對(duì)絲束進(jìn)行集束處理,確保試驗(yàn)樣品在每次測(cè)試時(shí)都有相同的集散性.文中采用液體分散集束法,將碳纖維絲束一端由夾持裝置固定,自由端穿過(guò)固定的帶小孔的絲束化裝置并浸入盛滿分散劑的容器中.碳纖維在分散劑中完全分散一段時(shí)間后,操作高度控制平臺(tái)下降,碳纖維絲束會(huì)緩慢脫離分散劑并通過(guò)集束裝置重新形成一根橫截面積一定的碳纖維絲束.集束后的碳纖維經(jīng)烘干箱烘干后,放入恒溫箱中的樣品盒保存.

為了測(cè)試預(yù)處理效果,文中采用集束后纖維絲束的直徑表征集散性.碳纖維集束后的絲束密度將與直徑成反比例關(guān)系,集散性越好,絲束直徑越小.相同集散性的碳纖維,應(yīng)該具有相同的絲束直徑.碳纖維絲束直徑采用基恩士超景深顯微鏡(VHX-2000)觀測(cè),其三維(3D)圖像如圖3所示.沿著碳纖維絲束的軸向方向可觀測(cè)到碳纖維絲束的橫截面為圓形,整根碳纖維絲束為圓柱體形狀.通過(guò)坐標(biāo)圖可計(jì)算出碳纖維絲束橫截面的直徑大小,通過(guò)控制孔隙率誤差值來(lái)排除孔隙率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.

圖3　碳纖維絲束的超景深3D圖像

為了驗(yàn)證預(yù)處理集束的一致性,采用光滑碳纖維進(jìn)行了8次重復(fù)性試驗(yàn),絲束直徑為1 021 μm,標(biāo)準(zhǔn)差為21 μm,平均偏差為18 μm，表明該預(yù)處理方法一致性良好.

(2)紅外圖像測(cè)試毛細(xì)潤(rùn)濕高度

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試工質(zhì)為無(wú)水乙醇,可模擬樹脂浸潤(rùn)碳纖維絲束的過(guò)程.因?yàn)闊o(wú)水乙醇與碳纖維之間浸潤(rùn)性良好,浸潤(rùn)過(guò)程迅速,是測(cè)試浸潤(rùn)性能時(shí)常用的工質(zhì)[16].在紅外測(cè)試過(guò)程中,環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大,因此,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在室溫條件(25 ℃),以排除環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾.實(shí)驗(yàn)中碳纖維絲束上端由樣品夾持裝置固定,豎直放置于盛滿待浸潤(rùn)液體的玻璃皿上方,調(diào)節(jié)液位升降裝置,帶動(dòng)玻璃皿緩慢上升,直至液體剛好浸潤(rùn)到碳纖維絲束.無(wú)水乙醇在毛細(xì)壓力的作用下,沿著碳纖維絲束的軸向方向開(kāi)始浸潤(rùn).紅外熱成像儀透過(guò)隔離罩小孔觀測(cè),整個(gè)碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕過(guò)程通過(guò)紅外儀傳送到數(shù)據(jù)采集PC中保存,采樣頻率為30 Hz.

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了兩種表面形貌不同的碳纖維絲束毛細(xì)過(guò)程,采用紅外熱成像法記錄潤(rùn)濕現(xiàn)象,處理數(shù)據(jù)得到潤(rùn)濕高度-時(shí)間變化曲線,并與Laplace-Washburn理論模型進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1毛細(xì)潤(rùn)濕高度紅外觀察

碳纖維毛細(xì)潤(rùn)濕高度穩(wěn)定后的紅外圖像如圖4(a)所示,為定量測(cè)量,采用圖像處理軟件,沿碳纖維方向從底部到頂端作一標(biāo)準(zhǔn)直線(圖中Line 1).由于碳纖維的實(shí)際長(zhǎng)度已知,故可將圖中測(cè)量的毛細(xì)潤(rùn)濕高度進(jìn)行等比例轉(zhuǎn)換為實(shí)際值.然而受到圖像分辨率的限制,從紅外圖像中觀測(cè)到的毛細(xì)潤(rùn)濕邊界有時(shí)也會(huì)模糊.因此,從紅外圖像中導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)直線上的溫度分布曲線,如圖4(b)所示.從圖中可以看出,溫度曲線上有明顯的突變點(diǎn).以該突變點(diǎn)為潤(rùn)濕分界點(diǎn),則可以得到準(zhǔn)確的潤(rùn)濕高度.根據(jù)此方法,在不同時(shí)間點(diǎn)計(jì)算對(duì)應(yīng)的毛細(xì)潤(rùn)濕高度,可繪制碳纖維絲束毛細(xì)潤(rùn)濕高度的變化曲線.

圖4　紅外圖像定位毛細(xì)潤(rùn)濕高度

前期研究表明,物體在毛細(xì)潤(rùn)濕時(shí),其潤(rùn)濕過(guò)程將主要經(jīng)歷快速潤(rùn)濕階段、過(guò)渡階段、平衡階段[17].在快速潤(rùn)濕階段,由于毛細(xì)潤(rùn)濕邊界擴(kuò)展迅速,采用傳統(tǒng)可見(jiàn)光視覺(jué)法觀察往往比較困難，而采用紅外熱成像法則能夠很好地觀測(cè)到此快速發(fā)展過(guò)程.圖5為光滑碳纖維絲束的前10 s潤(rùn)濕過(guò)程紅外圖像.從圖中可以看出,潤(rùn)濕邊界的擴(kuò)展速度隨著潤(rùn)濕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降.

2.2紅外熱成像法的可靠性論證

碳纖維毛細(xì)潤(rùn)濕的許多理論研究表明，其潤(rùn)濕高度變化過(guò)程有一定的規(guī)律，且推導(dǎo)出一系列的公式.文中將紅外熱成像法觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)公式理論值進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證該方法的可靠性.在碳纖維毛細(xì)潤(rùn)濕紅外測(cè)試過(guò)程中,毛細(xì)壓力p提供液體潤(rùn)濕的驅(qū)動(dòng)力,可用Laplace-Young方程[18]表示,即

p=4σcosθ/rp

(1)

式中,σ為浸潤(rùn)液體的表面張力,θ為固液接觸角,rp為孔隙半徑.

在潤(rùn)濕初始階段,忽略重力的影響,由Laplace-Washburn公式[19]和式(1)推導(dǎo)可得

(2)

圖5　光滑碳纖維絲束前10 s潤(rùn)濕過(guò)程的紅外圖像

式中,μ為潤(rùn)濕液體的黏度,t為潤(rùn)濕時(shí)間.即

(3)

隨著潤(rùn)濕時(shí)間的延長(zhǎng),應(yīng)考慮到重力因素的影響,文獻(xiàn)[20]在研究毛細(xì)芯上升時(shí)推導(dǎo)出

(4)

式中，ρ為測(cè)試工質(zhì)密度.即

(5)

由圖6可直觀地看出:在0～5 s內(nèi),碳纖維絲束的潤(rùn)濕速率較快,潤(rùn)濕高度可達(dá)30.0 mm；在5～60 s內(nèi),絲束的潤(rùn)濕速率在逐漸減小,毛細(xì)潤(rùn)濕過(guò)程緩慢,潤(rùn)濕高度增長(zhǎng)了約30.0 mm；在60 s后潤(rùn)濕高度已不再增長(zhǎng),且穩(wěn)定在62.6 mm左右.

由紅外熱成像法觀測(cè)到的碳纖維的潤(rùn)濕過(guò)程可分為快速潤(rùn)濕階段、過(guò)渡階段、平衡階段.在快速潤(rùn)濕階段,毛細(xì)潤(rùn)濕高度較小,重力作用不明顯,在毛細(xì)壓力的作用下,液體迅速浸潤(rùn)碳纖維；在過(guò)渡階段,液體向上潤(rùn)濕,因受到摩擦力和重力的影響,毛細(xì)潤(rùn)濕高度的增大趨勢(shì)逐漸減慢；在平衡階段,碳纖維絲束中的液柱達(dá)到最大高度,毛細(xì)潤(rùn)濕速率減小為0,此時(shí)毛細(xì)作用力與液柱重力平衡,整個(gè)潤(rùn)濕過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),潤(rùn)濕高度不隨時(shí)間t變化.

圖6　光滑碳纖維絲束的潤(rùn)濕高度隨時(shí)間的變化曲線

Fig.6Changing curve of capillary wetting height of smooth carbon fiber with time

在碳纖維絲素的快速潤(rùn)濕階段,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得h2隨時(shí)間t變化的散點(diǎn)圖如圖7(a)所示.采用一元線性回歸分析h2與t之間的線性關(guān)系,擬合出數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的一次函數(shù)方程為h2=230t,相關(guān)系數(shù)R2=0.976,這說(shuō)明h2與t之間基本上呈線性關(guān)系,與Laplace-Washburn方程的推導(dǎo)公式(3)完好吻合,說(shuō)明通過(guò)紅外成像法觀測(cè)到的潤(rùn)濕高度變化符合現(xiàn)階段的潤(rùn)濕性能理論研究.

圖7　潤(rùn)濕高度隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證紅外熱成像法的可靠性,以紅墨水為工質(zhì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了可見(jiàn)光觀測(cè)法[7]與紅外熱成像法測(cè)量粗糙形貌碳纖維絲束潤(rùn)濕性能的差異.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可見(jiàn)光觀測(cè)法在250 s后觀察到的碳纖維絲束的潤(rùn)濕高度為(82.67±8.44) mm,而紅外熱成像法觀測(cè)到的平均潤(rùn)濕高度為(86.79±0.54) mm,即紅外熱成像法測(cè)量的數(shù)值比可見(jiàn)光觀測(cè)法大,離散程度更小.這主要是因?yàn)橐后w潤(rùn)濕邊界往往比較模糊,采用可見(jiàn)光觀測(cè)法觀察比較困難,造成的讀數(shù)誤差較大,而紅外熱成像法通過(guò)溫度突變點(diǎn)確定潤(rùn)濕邊界,觀測(cè)清晰準(zhǔn)確.因此,紅外熱成像法可應(yīng)用于碳纖維絲束的潤(rùn)濕性能測(cè)試,潤(rùn)濕高度可作為參數(shù)表征碳纖維的潤(rùn)濕性能.

2.3形貌對(duì)碳纖維表面潤(rùn)濕性能的影響

采用紅外熱成像法觀測(cè)表面光滑和表面粗糙碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕現(xiàn)象時(shí),兩種碳纖維的宏觀性質(zhì)相似,但通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)到兩者的表面微觀形貌存在著較大的差異.光滑表面和粗糙表面碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕高度隨時(shí)間的變化如圖8所示.

圖8　兩種碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕高度隨時(shí)間的變化曲線

Fig.8Changing curves of capillary wetting height of two kinds of carbon fiber with time

以無(wú)水乙醇為潤(rùn)濕工質(zhì),采用粗糙碳纖維,經(jīng)過(guò)5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn),得到平均潤(rùn)濕高度為(85.01±2.28 )mm.通過(guò)Matlab軟件分別對(duì)表面光滑和表面粗糙碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕高度進(jìn)行擬合分析,得到無(wú)水乙醇對(duì)碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕速率隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示.

圖9　兩種碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕速率隨時(shí)間的變化曲線

Fig.9Changing curves of capillary wetting velocity of two kinds of carbon fiber with time

在快速潤(rùn)濕階段,光滑碳纖維、粗糙碳纖維的潤(rùn)濕高度和潤(rùn)濕速率均相近,因此形貌對(duì)碳纖維表面潤(rùn)濕性能的影響較小.在過(guò)渡階段,與光滑碳纖維相比,粗糙碳纖維的潤(rùn)濕高度更高、潤(rùn)濕速率更大,因此粗糙形貌有利于改善過(guò)渡階段碳纖維的毛細(xì)潤(rùn)濕性能.綜合來(lái)看,粗糙碳纖維絲束的毛細(xì)潤(rùn)濕性能比光滑碳纖維強(qiáng).

3結(jié)論

(2)文中采用紅外熱成像法對(duì)比觀測(cè)了光滑形貌和粗糙形貌碳纖維的毛細(xì)潤(rùn)濕性能,發(fā)現(xiàn)粗糙形貌有利于改善過(guò)渡階段和平衡階段碳纖維的毛細(xì)潤(rùn)濕性能.

(3)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,文中提出的碳纖維絲束液體分散集束預(yù)處理方法對(duì)碳纖維絲束的集束性良好.

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收稿日期:2015- 09- 02

*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375175); 廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015A030313201)

Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51375175) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2015A030313201)

作者簡(jiǎn)介:陸龍生(1981-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事先進(jìn)加工技術(shù)與理論研究.E-mail:meluls@scut.edu.cn

文章編號(hào):1000- 565X(2016)05- 0096- 07

中圖分類號(hào)：TH 145.9

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.05.015

Observation of Surface Wettability of Carbon Fiber Tow by Means of IR Thermal Imaging

LULong-shengSUNJia-weiZHANGFei-xiangLIUXiao-kang

(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)

Abstract:The surface wettability of carbon fiber is an essential factor affecting the performance of carbon fiber composite material.Due to the small fiber diameter and the transparent characteristic of working medium,the conventional measurements of wettability need demanding operation whereas wetting boundary is blurred,and thus the reiteration rate of experiment is low and large errors occur.In order to solve this problem,a novel observing method of wettability using IR thermal imaging is proposed.The superficial wettability of carbon fibers with smooth or rough morphology is observed,the variation tendency of wetting height with time is explored,and a comparison is made between the experimental results and the theoretical ones obtained by classical Laplace-Washburn model.The results show that the wetting heights measured in the rapid wetting stage and the transitional stage are respectively in direct proportion to the square root of wetting )and to the cube root of wetting ),which means that the proposed IR thermal imaging method helps obtain accurate wetting height of carbon fiber tow and can be applied to the characterization of surface wettability of carbon fiber tow.

Key words:carbon fiber;IR thermal imaging; surface wettability