碳纖維單軸向縫編織物及其復(fù)合材料性能影響研究

顏鴻斌 季雪松 劉勝利

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

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碳纖維單軸向縫編織物及其復(fù)合材料性能影響研究

顏鴻斌 季雪松 劉勝利

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 以碳纖維單軸向縫編織物為研究對象，開展了樹脂體系及其復(fù)合工藝、織物結(jié)構(gòu)參數(shù)和碳纖維種類對碳纖維單軸向縫編織物使用工藝性及其復(fù)合材料主要力學(xué)性能的影響研究。結(jié)果表明：經(jīng)向碳纖維和襯緯材料的種類及其面密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物彎曲硬挺度和織物單向滲透率的影響規(guī)律基本相似；無論是碳纖維縫編織物單向滲透率還是復(fù)合材料的主要力學(xué)強度，真空吸附工藝中，基于TDE-85環(huán)氧樹脂的自制6#環(huán)氧樹脂體系均明顯優(yōu)于市售用基于雙酚A環(huán)氧樹脂的環(huán)氧樹脂體系；采用610A樹脂預(yù)浸料工藝、或經(jīng)向碳纖維的適當(dāng)展紗、或干噴濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維，均有利于進一步提高碳纖維單軸向縫編織物復(fù)合材料的主要力學(xué)性能。這為碳纖維縫編織物結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要原材料選擇、制備工藝、配套樹脂體系及其復(fù)合工藝等選擇優(yōu)化提供一些參考，為碳纖維縫編織物、尤其是為國產(chǎn)碳纖維縫編織物的制備和推廣應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

碳纖維，單軸向縫編織物

0 引言

縫編織物是一種有效的預(yù)設(shè)計增強材料,它能夠最大限度地利用材料中每一個組成部分的優(yōu)良性能,沿厚度方向的增強能夠有效提高復(fù)合材料的損傷容限和面外性能[1]。因此,縫編織物增強復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)件、交通運輸車輛、船舶、渦輪葉片和各種復(fù)雜形狀的復(fù)合材料構(gòu)件[2]。對于縫編織物結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料性能的實驗及理論研究已有許多[3-11], 但大多以多軸向縫編織物或玻璃纖維縫編織物為主，對碳纖維縫編織物、尤其是單軸向碳纖維縫編織物的結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料性能的研究仍少見。本文以單軸向碳纖維縫編織物為研究對象，重點開展了樹脂體系及其復(fù)合工藝、織物結(jié)構(gòu)參數(shù)和碳纖維種類對單軸向碳纖維縫編織物及其復(fù)合材料性能的影響研究，以期能對碳纖維縫編織物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo),并為國產(chǎn)碳纖維縫編織物的推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 主要原材料

碳纖維：中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司碳纖維SYT-45-12K，日本東麗碳纖維T700-12K ，河南永煤碳纖維有限公司MT700C-12K，恒神纖維材料有限公司HF30-12K，中國石油吉林石化公司JHT45-12K。

單軸向碳纖維縫編織物：航天長征睿特科技有限公司。

真空灌注工藝用樹脂體系：6#環(huán)氧樹脂體系(TDE-85環(huán)氧樹脂+胺類固化劑)[12]、8#環(huán)氧樹脂體系(TDE-85環(huán)氧樹脂+酸酐類固化劑+促進劑)[12]、陶氏化學(xué)760E/766H環(huán)氧樹脂體系；巴陵石化F175/HD501環(huán)氧樹脂體系。

熱熔預(yù)浸料用中溫固化環(huán)氧樹脂體系：601A環(huán)氧樹脂體系，自制。

1.2 性能測試

彎曲硬體度：采用萊州市電子儀器有限公司生產(chǎn)的LLY-01電子硬挺度儀參照GB/T7689.4—2001測試織物彎曲硬挺度。織物樹脂滲透率參考文獻[13]測試織物單向滲透率。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維單軸向縫編織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物及其復(fù)合材料的影響

織物彎曲硬挺度是影響織物的鋪覆操作工藝的重要性能?？椢飿渲瑵B透率是織物本身的一個重要特性，直接影響到織物的樹脂復(fù)合工藝性能，是織物在復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要指標(biāo)。本節(jié)主要采用兩種典型的干噴濕法紡絲工藝制造的碳纖維作為原材料，研究分析了碳纖維單軸向縫編織物材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對與織物樹脂滲透率、鋪覆工藝性(彎曲硬挺度)和對應(yīng)復(fù)合材料主要力學(xué)性能的影響。

表1數(shù)據(jù)顯示，碳纖維單軸向縫編織物彎曲硬挺度與織物材料結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。(1)碳纖維原材料品種影響明顯，采用T700織造的碳纖維單軸向縫編織物的彎曲硬挺度明顯高于國產(chǎn)SYT45碳纖維單軸向縫編織物的彎曲硬挺度;(2)經(jīng)向碳纖維面密度和/或襯緯材料面密度越大，縫編織物的彎曲硬挺度越高；(3)碳纖維作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物的彎曲硬挺度明顯大于玻璃纖維作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物的彎曲硬挺度；(4)經(jīng)向碳纖維展紗后，其面密度降低，所制備的碳纖維單軸向縫編織物的彎曲硬挺度明顯減小。

表1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物彎曲硬挺度的影響1)

注：1)經(jīng)向碳纖維朝上時測試結(jié)果為正面彎曲硬挺度。

圖1結(jié)果表明：在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，(1)T700碳纖維縫編織物的單向滲透率(圖1中直線斜率)大于SYT45碳纖維縫編織物的單向滲透率；(2)襯緯材料面密度越大，縫編織物的單向滲透率越高；(3)經(jīng)向碳纖維展紗后，其面密度降低，所制備的碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率明顯減?。?4)碳纖維作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率大于玻璃纖維作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率；(5)纖維氈作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率大于纖維紗作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率。

結(jié)合表1和圖1分析結(jié)果，可以看出，碳纖維單軸向縫編織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物彎曲硬挺度和織物單向滲透率的影響規(guī)律或趨勢基本相似。這表明碳纖維單軸向縫編織物彎曲硬挺度和織物單向滲透率之間似乎存在一定程度的對應(yīng)關(guān)系。不同織物結(jié)構(gòu)參數(shù)下的織物樹脂浸漬過程照片見圖2。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的主要力學(xué)性能與織物材料結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。(1)碳纖維原材料品種影響明顯，T700碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸強度高于SYT45碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸強度，但上述兩種碳纖維織物增強復(fù)合材料的壓縮強度則基本相當(dāng);(2)在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸和壓縮強度隨襯緯材料面密度的減小或經(jīng)向碳纖維面密度的增加而提高；(3)纖維氈作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸和壓縮強度低于纖維紗作為襯緯材料的碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸和壓縮強度；(4)采用經(jīng)向碳纖維展紗后制造的碳纖維單軸向縫編織物，盡管其經(jīng)向碳纖維面密度減小了，但該織物增強復(fù)合材料的拉伸和壓縮強度反而有所提高。

表2 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對其復(fù)合材料主要力學(xué)性能的影響(均采用6#環(huán)氧樹脂體系)

2.2 樹脂體系及其復(fù)合工藝對碳纖維單軸向縫編織物及其增強復(fù)合材料的影響

樹脂體系是碳纖維縫編織物在復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要配套材料，其性能直接影響到織物的樹脂復(fù)合工藝性能和織物增強復(fù)合材料的主要力學(xué)性能。本節(jié)主要比較研究了兩類低黏度環(huán)氧樹脂體系及其真空吸附工藝、一種熱熔預(yù)浸料樹脂體系及其熱壓罐成型工藝對碳纖維單軸向縫編織物及其增強復(fù)合材料的影響。

圖3結(jié)果顯示，6#環(huán)氧樹脂體系起始黏度較市售通用環(huán)氧樹脂體系低50%，升至1～1.5 Pa·s的操作壽命則長50%。圖4數(shù)據(jù)則顯示，6#環(huán)氧樹脂體系針對碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率(圖2中直線斜率)也遠遠大于上述市售通用環(huán)氧樹脂體系之相應(yīng)值。表明6#環(huán)氧樹脂體系具有相對更好的真空吸附復(fù)合工藝性能。

圖5數(shù)據(jù)表明，真空吸附工藝樹脂體系對碳纖維單軸向縫編織物復(fù)合材料強度影響較大。(1)采用自制環(huán)氧樹脂體系制備的碳纖維單軸向縫編織物復(fù)合材料的拉伸和壓縮強度明顯大于上述市售通用環(huán)氧樹脂體系之相應(yīng)值；(2)T700碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸強度高于SYT45碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的拉伸強度，但其壓縮強度則低于SYT45之相應(yīng)值。

(a) 拉伸強度

上述結(jié)果表明，自制環(huán)氧樹脂體系對碳纖維單軸向縫編織物而言，不僅真空吸附復(fù)合工藝性能優(yōu)異，還能顯著提高其復(fù)合材料的強度、尤其是壓縮強度。

表3 不同樹脂體系及其復(fù)合工藝對國產(chǎn)碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料主要力學(xué)性能的影響

表3數(shù)據(jù)表明，與6#環(huán)氧樹脂真空吸附工藝比較，采用610A樹脂預(yù)浸料工藝能進一步提高國產(chǎn)碳纖維單軸向縫編織物的主要力學(xué)性能。

2.3 經(jīng)向碳纖維種類對碳纖維單軸向縫編織物增強復(fù)合材料的影響

一般而言，溶液濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維具有規(guī)整的表面溝槽結(jié)構(gòu)，有利于碳纖維樹脂基復(fù)合材料形成良好的界面結(jié)構(gòu)，而干噴濕法紡絲技術(shù)一方面由于紡絲速度快，容易實現(xiàn)產(chǎn)品的低成本化，另一方面干濕法紡絲技術(shù)最終制備的碳纖維因表面光滑無溝槽，外力作用時無應(yīng)力集中，碳纖維自身的性能得到提高，但是卻導(dǎo)致與樹脂的機械鉚合力下降，接觸面積也降低，不利于界面結(jié)合力的提高。

圖6數(shù)據(jù)表明，與溶液濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維(HF30、JHT45和MT700C)比較，采用干噴濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維(T700和SYT45)織造的單軸向縫編織物具有相對更好的復(fù)合材料拉伸和壓縮強度。這可能是溶液濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維在縫編織物織造過程中更容易產(chǎn)生工藝損傷所致。

3 結(jié)論

(1)碳纖維縫編織物中經(jīng)向碳纖維和襯緯材料的種類及其面密度對織物的鋪覆和樹脂浸漬復(fù)合使用工藝性能影響較大，一般情況下，對織物彎曲硬挺度和織物單向滲透率的影響規(guī)律基本相似。

(2)不同真空吸附工藝樹脂體系對碳纖維縫編織物單向滲透率及其復(fù)合材料的主要力學(xué)性能影響較大，采用自制6#環(huán)氧樹脂體系之相應(yīng)值明顯大于采用上述市售通用環(huán)氧樹脂體系之相應(yīng)值。

(3)與6#環(huán)氧樹脂真空吸附工藝比較，采用610A樹脂預(yù)浸料工藝能進一步提高碳纖維單軸向縫編織物的主要力學(xué)性能。

(4)經(jīng)向碳纖維的適當(dāng)展紗，有利于提高碳纖維單軸向縫編織物復(fù)合材料的主要力學(xué)性能，但不利于樹脂浸漬，該碳纖維單軸向縫編織物的單向滲透率明顯減小。

(5)碳纖維縫編織物中的碳纖維需經(jīng)受編織、鋪放、樹脂浸漬復(fù)合等工藝過程，其使用工藝性的優(yōu)劣直接影響復(fù)合材料的性能以及碳纖維本征特性的充分發(fā)揮。與溶液濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維(HF30、JHT45和MT700C)比較，采用干噴濕法紡絲技術(shù)制備的碳纖維(T700和SYT45)織造的單軸向縫編織物具有相對更好的復(fù)合材料拉伸和壓縮強度。

[1] BENSON DEXTER H, HASKO GREGORY H. Mechanical properties and damage tolerance of multiaxial warp-knit composites [J].Composites Science and Technology, 1996, 56(3): 367-380.

[2] 談昆侖,段躍新,楊乃賓.碳纖維經(jīng)編織物在大飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[C]//杜善義,肖加余.復(fù)合材料創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展.第十六屆全國復(fù)合材料會議論文集.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2010: 1229-1233.

[3] LOMOV S V, BARBURSKI M, STOILOVA T, et al. Carbon composites based on multiaxial multiply stitched performs, Part 3: Biaxial tension, picture frame and compression tests of the performs [J]. Composites Part A, 2005, 36(1): 1188-1206.

[4] DRANSFIELD K, JAIN L, MAI Y W. On the effects of stitching in CFRPsⅠ: modeⅠdelamination toughness [J]. Compos Sci Technol, 1998, 58(6): 815-827.

[5] LOMOV S V, VEPOEST I, BARBURSKI M, et al. Carbon composites based on multiaxial multiply stitched performs, Part 2: KES-F characterization of the deformability of the performs at low loads [J]. Composites Part A, 2003, 34(4): 359-370.

[6] 祝君軍，段躍新，等.碳纖維經(jīng)編織物定型參數(shù)及滲透特性[J].復(fù)合材料學(xué)報，2012,29(3):42-48.

[7] 韓帥，段躍新,等.不同針織結(jié)構(gòu)經(jīng)編碳纖維復(fù)合材料彎曲性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2011,28(5):52-57

[8] 江麗華,李煒.軸向經(jīng)編織物的拉伸性能及其影響因素研究[J].紡織科技進展，2006(1):53-55.

[9] 李龍，段躍新.雙軸向經(jīng)編織物T700/BMI6421復(fù)合材料力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2011，28(6):92-97.

[10] 蔣金華，趙兆，陳南梁,等，捆綁紗對預(yù)定向經(jīng)編織物性能的影響[J].玻璃纖維,2013(1):1-6.

[11] 李麗英，孟松鶴.定型劑對單軸向經(jīng)編織物復(fù)合材料力學(xué)性能影響的試驗研究[J].復(fù)合材料學(xué)報，2014,31(2)：304-316.

[12] 顏鴻斌.一種碳纖維織物增強復(fù)合材料主梁帽及其制造方法[P].發(fā)明專利申請?zhí)朇N 201410215962.9.

[13] 顏鴻斌，安明康,等.風(fēng)機葉片用縫編織物滲透性能評估[J].宇航材料工藝，2011,41(2)：101-104.

Influence on Performance of Carbon Fiber Uniaxial Stitch Bonded Fabrics and Its Composite

YAN Hongbin JI Xuesong LIU Shengli

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 100076)

In this paper, the influence of carbon, fabric structure, resin and processing on the properties of carbon fiber uniaxial stitch bonded fabrics and its composite was studied. The results show that the fabric structural parameters, such as the types and the area density of warp carbon and weft material, have the same influence on the bending stiffness and the unidirectional permeability coefficient of the fabric. The No.6 epoxy resin compound based on TDE85 has obvious advantages than the other epoxy resin compounds based on Bisphenol A, on improving the unidirectional permeability coefficient of the fabric and the mechanical strength of the fabric composite. The mechanical strength of the fabric composite benefit from the process of hot-melt prepreg based on 610A resin, spreading of the warp carbon fiber and the carbon fiber of dry-jet-wet electrospinning process.

Carbon fiber, Uniaxial stitch bonded fabric

2016-10-22

科技部863計劃資助項目(2012AA03A201)

顏鴻斌，1972年出生，高級工程師，主要從事高分子材料及樹脂基復(fù)合材料研究。E-mail:hongbin_y@sina.com

TB3

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.008