碳纖維/PBO纖維層間混雜復(fù)合材料性能*

王 斌，王文靜，呂鈞煒,，彭 濤，范新年，周萬(wàn)立，趙春霞，李 輝

(1. 西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610500；2. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；3. 高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041)

0 引言

高性能碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)、高比模、尺寸穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異特性，且隨著近年來(lái)碳纖維性能的提高、成本降低，以及復(fù)合材料成型制造技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星貯箱、交通運(yùn)輸(天然氣瓶)、自救呼吸裝置等方面的應(yīng)用發(fā)展日趨廣泛。在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，碳纖維這種脆性復(fù)合材料對(duì)損傷非常敏感，抵抗裂紋擴(kuò)展能力差，容易造成毀滅性破壞。因此，高強(qiáng)度、高韌性復(fù)合材料的研制開(kāi)發(fā)就顯得非常重要[1-7]。

采用與高性能有機(jī)纖維混合形成混雜復(fù)合材料，提高其綜合性能，是當(dāng)前復(fù)合材料研究與應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向，受到了復(fù)合材料界的普遍關(guān)注。文獻(xiàn)主要研究了碳纖維與玻璃纖維、Kevlar-49纖維和F-12纖維的混雜體系[8-13]，而有關(guān)碳纖維與PBO(聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑)纖維形成混雜復(fù)合材料的文獻(xiàn)很少，這可能與PBO纖維商品化時(shí)間較晚有一定關(guān)系。

本文以單向復(fù)合材料為試驗(yàn)對(duì)象，探討了不同混雜比、不同力學(xué)性能的碳纖維以及不同的界面粘結(jié)狀態(tài)對(duì)碳纖維/PBO混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

增強(qiáng)材料為PBO纖維(分未處理及表面處理二種類型)及高性能碳纖維(HTA-P30和T800二種類型)，基體樹(shù)脂為研制的RX2環(huán)氧樹(shù)脂/胺體系配方，其測(cè)試的主要力學(xué)性能見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備

單向復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度σ、模量E和層間剪切強(qiáng)度τ的測(cè)試分別按GB 1458—88和GB 1461—88進(jìn)行，在Instron4505萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)完成測(cè)試。SEM在日本電子公司的JSM-5800型掃描電鏡進(jìn)行。

1.3 試樣制備

用碳纖維和PBO纖維浸漬RX2樹(shù)脂膠液后，按表2的層間混雜鋪層次序纏繞在模具上，固化，脫模，修裁，測(cè)試。表2中，s為對(duì)稱鋪層，P為PBO，H為HTA-P30，T為T(mén)800。

表1 原材料性能

表2 鋪層方式

2 結(jié)果與討論

2.1 混雜比的影響

混雜纖維復(fù)合材料是指采用二種或二種以上的纖維增強(qiáng)一種或多種樹(shù)脂基體形成復(fù)合材料，它兼顧了材料的強(qiáng)度、剛度和韌性等特性，克服了單一纖維復(fù)合材料的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料綜合性能的優(yōu)化?；祀s效應(yīng)是混雜復(fù)合材料的一個(gè)重要特征，反映了混雜復(fù)合材料性能實(shí)測(cè)值與混合定律計(jì)算值的偏離程度。其中混雜比Vcf是混雜復(fù)合材料性能的重要影響因素之一。表3是碳纖維、PBO纖維及其層間混雜復(fù)合材料的拉伸性能對(duì)比數(shù)據(jù)，混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度σ、模量E和層間剪切強(qiáng)度τ與混雜比的關(guān)系分別如圖1～圖6所示。從表3來(lái)看，碳纖維與PBO纖維混雜后，復(fù)合材料性能隨混雜比的變化而變化，體現(xiàn)出一定的混雜效應(yīng)，而且偏離混合定律。表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，HTA-P30、T800在鋪層混雜次序和混雜比完全相同的情況下，與PBO纖維混雜后其復(fù)合材料性能有一定的差異，其與混雜比的變化關(guān)系在圖1～圖3中更為直觀。HTA-P30碳纖維與PBO纖維混雜后，拉伸強(qiáng)度和模量均低于混合定律計(jì)算值(圖1(a)和圖2(a))，而T800碳纖維與PBO纖維混雜后，其復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度低于混合定律計(jì)算值(圖1(b))，拉伸模量則高于混合定律計(jì)算值(圖2(b))，這可能與T800碳纖維的拉伸強(qiáng)度、模量和工藝性均優(yōu)于HTA-P30碳纖維有關(guān)。但無(wú)論P(yáng)BO纖維與HTA-P30碳纖維混雜還是與T800碳纖維混雜，層間剪切強(qiáng)度均高于混合定律計(jì)算值(圖3)，且這3種性能(拉伸強(qiáng)度、模量和層間剪切強(qiáng)度)的離散系數(shù)CV均有不同程度的降低，這些說(shuō)明PBO纖維的混入，有利于提高碳纖維復(fù)合材料的層間剪切性能，降低其性能的分散性。

表3 復(fù)合材料的性能比較

(a) HTA-P30與PBO混雜 (b) T-800與PBO混雜

(a) HTA-P30與PBO混雜 (b) T-800與PBO混雜

2.2 界面性能的影響

混雜界面是產(chǎn)生混雜效應(yīng)的主要原因，由于混雜界面層與單一纖維復(fù)合材料界面層不同，且為更加不均勻過(guò)渡，并以多相、多層次方式存在，使混雜纖維復(fù)合材料具有這些特異性能和功能(混雜效應(yīng))，一般用混雜效應(yīng)系數(shù)Re來(lái)衡量，不同受力狀態(tài)的Re值不同。

(a) HTA-P30與PBO混雜 (b) T-800與PBO混雜

根據(jù)混雜效應(yīng)的定義，Re可表示為

(1)

式中Mt為混雜纖維復(fù)合材料性能的實(shí)驗(yàn)值；Mmr為按混合定律的計(jì)算值。

在混雜復(fù)合材料中，PBO纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的界面屬于弱界面，其層間剪切強(qiáng)度只有24.6 MPa。為了研究界面粘接性能對(duì)混雜效應(yīng)的影響，本文對(duì)于PBO纖維進(jìn)行了表面偶聯(lián)劑處理(處理后PBO纖維/環(huán)氧的界面粘強(qiáng)度比未處理可提高61.3%，而拉伸性能變化不大)[14]，提高其界面粘結(jié)性，然后將處理后的PBO纖維與T-800纖維按表2中6#、7#、8#、9#樣的鋪層混雜方式制作成試樣，分別編號(hào)為6#-1、7#-1、8#-1、9#-1，進(jìn)行拉伸性能和層間剪切強(qiáng)度測(cè)試，計(jì)算其混雜效應(yīng)系數(shù)，測(cè)試結(jié)果列于表4，圖4是表面處理前后Vcf與Re的柱形關(guān)系圖。

表4 表面處理前后單向混雜復(fù)合材料的性能比較

圖4 表面處理前后Vcf與Re的柱形關(guān)系圖

從表4和圖4可看出，無(wú)論P(yáng)BO纖維表面處理前還是處理后，混雜復(fù)合材料的σ表現(xiàn)出負(fù)混雜效應(yīng)，而E和τ表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)，且均隨混雜比的增大而降低。但是，PBO纖維經(jīng)過(guò)表面處理后，由于提高了其界面粘結(jié)性能，其σ、E、τ的Re均有不同程度的增大，其中τ的Re增幅最快，6#-1和7#-1試樣分別提高了178.6%和88.5%，這表明在混雜復(fù)合材料中，PBO纖維/環(huán)氧弱界面層粘結(jié)性能的改善，可明顯提高混雜復(fù)合材料的層間剪切性能。圖5和圖6分別是6#(處理前)和6#-1(處理后)的拉伸破壞斷口顯微照片，表面處理前，PBO纖維(圖5(b))、碳纖維(圖5(a))及其混雜斷口表面(圖5(c))夾雜樹(shù)脂塊數(shù)量少，裸露纖維多，屬弱界面破壞狀態(tài)，而處理后，碳纖維(圖6(a))及其混雜斷口表面(圖5(c))夾雜樹(shù)脂塊數(shù)量明顯增多，裸露纖維減少，且在其混雜斷口表面(圖6(c))有PBO纖維的表皮撕裂現(xiàn)象，屬稍強(qiáng)界面破壞狀態(tài)，能較好地傳遞層間剪切力，達(dá)到一種整體性破壞。

(a) CF(×1000) (b) PBO(×200) (c) 6# hybrid(×200)

(a) CF(×1000) (b) PBO(×200) (c) 6#-1 hybrid(×200)

3 結(jié)論

(1)在鋪層混雜次序和混雜比完全相同的情況下，所采用與PBO纖維混雜的碳纖維類型和力學(xué)性能不同，復(fù)合材料性能及其混雜效應(yīng)有較大差異。

(2)T800與PBO纖維混雜后，復(fù)合材料的強(qiáng)度表現(xiàn)出負(fù)混雜效應(yīng)，而模量和層間剪切強(qiáng)度表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)，且均隨混雜比的增大而降低。

(3)隨著PBO纖維/環(huán)氧弱界面層粘接性能的提高，其混雜復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量、層間剪切強(qiáng)度的混雜效應(yīng)系數(shù)均有不同程度的增大，尤其是層間剪切強(qiáng)度的混雜效應(yīng)系數(shù)增幅最快，6#-1和9#-1試樣分別提高了88.5%和178.6%。SEM斷口與宏觀力學(xué)性能變化一致。