高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試影響因素的研究

梁燕+邱星翔+蔣玲玲+胡偉偉

摘要：

碳纖維復(fù)絲拉伸性能的正確測試是對其質(zhì)量評價的重要內(nèi)容。目前，GB/T 26752—2011《聚丙烯腈基碳纖維》引用的測試方法主要針對標(biāo)準(zhǔn)型碳纖維，提供的制樣和測試方法在一定程度上是原則性描述，已不適用高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能的測試。本文通過對樹脂體系、浸膠及固化條件、試樣加強(qiáng)片的類型及粘貼方式等影響因素的研究，選取與高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能相適宜的測試方法，真實準(zhǔn)確高效地提供高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)型；碳纖維復(fù)絲；拉伸性能測試；影響因素

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著碳纖維的問世和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，關(guān)于碳纖維綜合性能評價與表征的研究飛速發(fā)展。以日本、美國為代表的碳纖維生產(chǎn)和應(yīng)用大國已建立了性能指標(biāo)完整、表征方法科學(xué)的碳纖維評價與表征體系，可準(zhǔn)確地反映碳纖維本征特性和界定碳纖維性能等級。國外碳纖維評價表征研究和碳纖維研制緊密結(jié)合并同步發(fā)展，碳纖維性能客觀系統(tǒng)評價有效指導(dǎo)了高性能碳纖維的研制，促進(jìn)了碳纖維的更新?lián)Q代[1]。

近年來，國家相關(guān)部門高度重視我國碳纖維的發(fā)展，碳纖維研發(fā)和生產(chǎn)實力得到了快速提升。“十五”以來，在相關(guān)部委的支持下，國產(chǎn)碳纖維在性能、產(chǎn)能等方面取得了可喜成績，國產(chǎn)T300級碳纖維工程化技術(shù)已取得重大突破并獲得大量應(yīng)用，國產(chǎn)T700級碳纖維工程化工作已取得重大進(jìn)展。國產(chǎn)T800級碳纖維已突破關(guān)鍵制備技術(shù)，工程驗證也迫在眉睫。國產(chǎn)GQ3522型（T300級）碳纖維實現(xiàn)了千噸級產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，產(chǎn)品陸續(xù)進(jìn)入市場，品種包括24K及以下規(guī)格，應(yīng)用研究進(jìn)展迅速，獲得軍民領(lǐng)域的應(yīng)用。拉伸強(qiáng)度4500MPa和拉伸模量220GPa以上的國產(chǎn)GQ4522、拉伸強(qiáng)度5000MPa和拉伸模量220GPa以上的國產(chǎn)GQ5022（T700級）等高強(qiáng)型碳纖維，其中部分品種已完成百噸級工程化研究，產(chǎn)品進(jìn)入復(fù)合材料應(yīng)用評價與工程應(yīng)用階段。

評價碳纖維拉伸性能有兩種方法——單絲拉伸性能和復(fù)絲拉伸性能[2]，由于采用單絲拉伸法測定碳纖維的力學(xué)性能得到的數(shù)據(jù)存在較大偏差，復(fù)絲拉伸法是采用一束碳纖維浸膠后固化形成的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測試，這樣更接近碳纖維在復(fù)合材料中的狀態(tài)，得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)對復(fù)合材料的設(shè)計更有參考價值，因此應(yīng)用更多。

近年來關(guān)于碳纖維拉伸性能測試的研究國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報道，但對高強(qiáng)型碳纖維拉伸性能測試包括樣品制備過程的影響因素尚未有系統(tǒng)的研究和報道。因此，研究高強(qiáng)型碳纖維力學(xué)性能測試過程中相匹配的樹脂及其固化條件、加強(qiáng)片的粘貼方式、浸膠張力大小等影響因素尚需要系統(tǒng)深入的研究，才能高效準(zhǔn)確真實地反映碳纖維本身力學(xué)性能，才能更好地推動我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試原理、參數(shù)及設(shè)備要求

2.1 測試原理

碳纖維復(fù)絲的拉伸性能指標(biāo)為拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率。碳纖維復(fù)絲的拉伸性能和彈性模量通過浸漬樹脂固化后纖維的拉伸加載直至破壞來測定。拉伸強(qiáng)度由破壞載荷除以碳纖維復(fù)絲的截面積來得到，彈性模量由規(guī)定的應(yīng)變限測定。碳纖維復(fù)絲的截面積由線密度除以密度得到。

2.2 參數(shù)及設(shè)備要求

（1）拉伸試驗機(jī)：有恒定速率的拉伸試驗機(jī)，配有載荷和伸長曲線的記錄裝置。夾具系統(tǒng)應(yīng)確保試樣中心線與試驗機(jī)中心軸一致。

（2）引伸計：測試?yán)炷Ａ繒r，根據(jù)纖維的斷裂伸長率大小設(shè)定應(yīng)變限。使用引伸計測試碳纖維模量，較為準(zhǔn)確地表征了碳纖維彈性模量值。

（3）斷裂伸長率：浸膠固化碳纖維脆性大，直徑小，精確測量其斷裂伸長較為困難，根據(jù)胡克定律由直接測試得到拉伸強(qiáng)度和彈性模量的比值進(jìn)行計算得到[ISO 10618：2004（E）中規(guī)定]。

（4）密度梯度管：碳纖維復(fù)絲密度由密度梯度管測定。

（5）拉伸速度：拉伸強(qiáng)度測試速度為10mm/min。彈性模量測試速度為2mm/min。

（6）夾具間距：試驗機(jī)夾具間距為150mm。

（7）自動浸膠機(jī)或手動浸膠制樣架：自動浸膠機(jī)或手動浸膠制樣架滿足碳纖維浸膠固化時可施加一定的張力以保證絲束中每根單絲平直，受力均勻，并且張力可調(diào)。

3 主要影響因素研究

3.1 樹脂體系

GB/T 3362—2005附錄A中提供的樹脂配方的斷裂伸長率分別為2.2%、2.3%和2.1%，高強(qiáng)型碳纖維（如T700、T800、T1000等）的斷裂伸長率已由T300的1.5%增加到2.0%，需要研究選用適宜的更高韌性的樹脂體系測試高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲的拉伸性能?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)推薦的樹脂體系吸濕性大，環(huán)境溫濕度對試驗結(jié)果影響大，樹脂體系選用的溶劑為丙酮等揮發(fā)性大、毒性大的易制毒試劑，屬于公安部門管控的危險化學(xué)品，購買審批和儲存管理有嚴(yán)格的要求。碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試制樣過程選用丙酮作為溶劑的樹脂體系，易對人體造成傷害，對環(huán)境造成污染。

高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試過程一般選擇一種樹脂膠液配方及固化條件，控制相同的制樣條件，減少因制樣條件的變化引起數(shù)據(jù)波動。在框架上固定浸過膠的復(fù)絲，保證纖維在固化工藝中擁有相同和恒定的張力，確保纖維在試樣中與樹脂的固化條件統(tǒng)一，固化后試樣的含膠量和復(fù)合狀態(tài)相差很小，試樣粘貼加強(qiáng)片進(jìn)行拉伸性能測試。通過比較拉伸性能指標(biāo)的大小，來確定選用各試驗影響因素的適宜性。

高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲選用一定的樹脂體系浸膠制成碳纖維復(fù)絲拉伸試樣進(jìn)行大量拉伸試驗，分析整理試驗數(shù)據(jù)，通過比較拉伸性能指標(biāo)的大小，確定所選樹脂體系與高強(qiáng)型碳纖維的相容性和適宜性。

考慮高強(qiáng)型碳纖維的適用范圍，應(yīng)根據(jù)樹脂本身的熱性能和力學(xué)性能選用與高強(qiáng)型碳纖維表面上漿劑相容性的樹脂體系、與高強(qiáng)型碳纖維斷裂伸長率相匹配的樹脂體系、在固化過程中不易吸潮且固化后具有較好耐熱性能的樹脂、環(huán)境友好型的水溶性樹脂體系進(jìn)行浸膠試驗，減少丙酮等易揮發(fā)的有毒試劑對人體造成的傷害。

3.2 浸膠及固化

控制浸膠復(fù)絲的含膠量在合適的范圍，碳纖維浸膠固化時需要施加一定張力，張力大小對其強(qiáng)度也會有一定影響，樣品固化時施加合適的張力，可使纖維平行順直、增加纖維間抱合力、提高纖維的拉伸性能。針對高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲選用適宜的張力大小，過小纖維不平直，過大纖維受拉過量，通過張力可控的浸膠裝置實現(xiàn)。浸膠復(fù)絲固定在張力架上后，針對高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲選用適宜的固化條件，保證浸膠復(fù)絲固化充分且高溫固化過程對碳纖維本身拉伸性能沒有損傷。

樹脂配膠試驗后，選用張力可控、可計量的自動浸膠或手工浸膠法對碳纖維復(fù)絲進(jìn)行浸膠固化，調(diào)節(jié)試驗過程中張力的大小，將不同固化張力大小的碳纖維試樣進(jìn)行大量的拉伸試驗，分析整理試驗數(shù)據(jù)，分析固化張力大小對高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能指標(biāo)的影響。浸膠過程中保證碳纖維在松弛狀態(tài)下充分浸膠，定量去掉多余的膠液，控制樹脂含量在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)，然后進(jìn)行固定纏繞，得到浸膠均勻、平滑的試樣，盡量避免試驗過程中人為因素對碳纖維浸膠復(fù)絲的影響。

浸膠復(fù)絲固定在張力架上后，參照選用樹脂提供的固化條件，用熱分析儀器DSC對樹脂體系進(jìn)行熱分析研究，進(jìn)一步確定樹脂的固化條件。選用幾個樹脂固化條件進(jìn)行碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試，比較拉伸性能指標(biāo)的大小，確定適宜的固化條件，保證浸膠復(fù)絲固化充分且高溫固化過程對碳纖維本身拉伸性能沒有損傷。

3.3 試樣粘貼加強(qiáng)片

由于浸膠紗試樣有一定脆性，直接將試樣夾持到試驗機(jī)的夾具上會導(dǎo)致試樣斷在夾具內(nèi)部，從而導(dǎo)致該試樣的試驗無效。GB/T 3362—2005規(guī)定1K和3K碳纖維復(fù)絲采用0.2mm～0.4mm厚的紙板；6K和12K采用1mm～1.5mm厚的紙板或金屬板。針對不同K數(shù)的高強(qiáng)型碳纖維選用適宜的加強(qiáng)片粘貼方式，使纖維斷裂過程斷裂規(guī)整，離散系數(shù)小，廢棄試樣少，真實高效地反映其本身拉伸性能。

對于加強(qiáng)片選用類型和粘貼加強(qiáng)片采用的方法，測試標(biāo)準(zhǔn)中都沒有明確的要求。加強(qiáng)片選用和粘貼不當(dāng)，容易造成浸膠碳纖維復(fù)絲在拉伸過程中斷裂在加強(qiáng)片內(nèi)或者夾具鉗口處。因此，結(jié)合已有試驗經(jīng)驗，我們應(yīng)對高強(qiáng)型碳纖維尤其是大K數(shù)高強(qiáng)型碳纖維，以加強(qiáng)片粘貼后絲束平整無凸起，加強(qiáng)片與絲束粘貼地方無多余膠珠，加強(qiáng)片粘貼選用粘貼膠液固化過程對浸漬碳纖維復(fù)絲性能無損傷等原則，選用適宜的加強(qiáng)片粘貼方式，將高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲試樣進(jìn)行大量的拉伸性能測試，分析試驗數(shù)據(jù)，比較拉伸性能指標(biāo)的大小，以達(dá)到粘貼加強(qiáng)片試樣斷裂規(guī)整的目的，確定適宜的加強(qiáng)片類型及加強(qiáng)片的粘貼方式，真實準(zhǔn)確地反映其本身拉伸性能。

4 總結(jié)

通過對浸漬樹脂體系、浸膠及固化條件、試樣加強(qiáng)片的類型及粘貼方式等研究，選取與高強(qiáng)型碳纖維復(fù)絲拉伸性能相適宜的測試方法，減少碳纖維測試時試樣破壞模式不穩(wěn)定、測試結(jié)果離散性大、測試結(jié)果受季節(jié)環(huán)境濕度影響，真實準(zhǔn)確高效地提供碳纖維拉伸性能數(shù)據(jù)，指導(dǎo)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大碳纖維在下游各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀福. 碳纖維及石墨纖維[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2010.

[2]楊延風(fēng)， 張學(xué)軍， 田艷紅. 碳纖維復(fù)絲和單絲拉伸性能測試方法[J]. 理化檢驗-物理分冊， 2013，49（7）：441-443.