RTM工藝制備碳纖維復合材料的力學性能

劉振賓，時 卓，左繼成，李 剛，常 軍，馬明慶，張 罡

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159；2.遼寧省輕工科學研究院有限公司，沈陽 110036)

碳纖維復合材料以其輕質(zhì)和優(yōu)異的物理、化學和力學性能在國防和民用等領域獲得了日益廣泛的應用，如直升機、飛機發(fā)動機、大飛機、交通車輛、風電葉片等[1-3]。

寶馬BMW i3 的坐艙和部分車身覆蓋件用碳纖維復合材料后整車質(zhì)量下降1.25t；艾瑞澤7的引擎蓋、門梁等車身覆蓋件用碳纖維復合材料后，車身質(zhì)量減輕40%～60%，油耗減少約7%；特斯拉Roadster 電動跑車，采用碳纖維復合材料車身后整車重量只有920 公斤，而且加速性能、操控性能和環(huán)保性能更好[3-4]。在質(zhì)量上，碳纖維/環(huán)氧復合材料件比普通鋼材減少60%，比鋁合金構(gòu)件節(jié)省約10%～25%，甚至達30%[5-6]。

目前，樹脂傳遞模塑成型(Resin Transfer Molding，簡稱RTM)制備碳纖維/環(huán)氧復合材料結(jié)構(gòu)件是應用最普遍的低成本高性能的成型工藝之一，RTM能直接使用預成型體注入樹脂固化，一次成型結(jié)構(gòu)復雜、大型的構(gòu)件，尺寸可控制、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低[7]。

國內(nèi)對于RTM工藝用樹脂和碳纖維也進行了研究和探索，積累了樹脂研究、碳纖維編織、工藝優(yōu)化等制造經(jīng)驗，研制了高性能環(huán)氧樹脂體系和碳纖維織物。其中CF3031/BA9914e復合材料徑向拉伸強度達到了755MPa，彎曲強度達到了934MPa[8-9]。

本文采用RTM工藝制備碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，通過碳纖維和配套的樹脂選擇，優(yōu)化RTM工藝，研究復合材料的力學性能與界面結(jié)構(gòu)關系以及拉伸斷口失效方式，為新能源汽車承載零部件的未來應用提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

經(jīng)過預實驗，優(yōu)選上海華誼樹脂有限公司3312A環(huán)氧樹脂和3312B固化劑和宜興市恒立航空科技有限公司生產(chǎn)的3K-T300平紋碳纖維布，進行RTM工藝試驗。

1.2 實驗儀器

試驗采用北京恒吉星科技有限責任公司生產(chǎn)的RTM-EP高溫精密環(huán)氧注射機制備實驗室樣品，并分別采用國產(chǎn)UTM4304微機控制電子萬能試驗機和日本產(chǎn)S-3400N掃描電鏡進行拉伸、彎曲試驗，以及斷口形貌分析。

1.3 RTM成型工藝

將裁剪碳纖維布同向鋪層在涂有脫模劑的陰模中，合上平板式陽模(中間開設注射口，四角開設溢料口)，緊固密封模具并預熱模具。設置環(huán)氧樹脂與固化劑的混合比例，注射壓力和注射速度分別為2.5MPa和50mL/min。運行RTM操作系統(tǒng)將樹脂和固化劑按比例通入注射槍的靜態(tài)混合器中，充分混合后從模具中間注射口注入，直至四周的溢料管有料溢出且無氣泡為止。注射完畢后，80℃固化，室溫脫模，取出制件。

1.4 力學性能測試

依據(jù)GB/T1447-2005和GB/T1449-2005用萬能制樣機制備拉伸和彎曲試樣并進行試驗，尺寸分別為250mm×25mm×2.5mm和80mm×15mm×2.5mm。試驗速度均為2mm/min。

1.5 拉伸斷口掃描

對拉伸試樣斷口進行SEM掃描，分析斷口形貌，判斷拉伸試樣斷裂方式。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維復合材料的力學性能

按照厚度指標要求，試驗優(yōu)選碳纖維布6層的鋪層方式，其他的鋪層均不能達到厚度指標或?qū)е伦⑸鋲毫ο略鰪婓w結(jié)構(gòu)顯著變形，影響復合材料尺寸精度和數(shù)值與纖維浸潤質(zhì)量。

制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂試樣的拉伸強度和彎曲強度如表1所示，拉伸強度和彎曲強度分別達到了459.17MPa和576.82MPa，而環(huán)氧樹脂基體拉伸最高強度僅為80MPa，復合材料的強度提高了5.7倍。與文獻[8-9]相比，樣件力學性能偏低的原因在于選用的碳纖維級別及配套樹脂的不同，本文選用了低成本T300碳纖維及其配套樹脂。

表1 RTM制備碳纖維/環(huán)氧復合材料的力學性能表

拉伸宏觀斷口如圖1所示。斷口主要呈現(xiàn)纖維拉斷與樹脂的脆性斷裂，界面失效開裂形式較少，表面界面具有較高的抵御斷裂能力[8]。

圖1 拉伸斷口宏觀形貌

2.2 RTM制件拉伸試驗微觀斷口

拉伸試樣斷口SEM形貌如圖2所示。

圖2 軸向碳纖維拉伸斷口SEM形貌(拉伸應力方向垂直于紙面)

由圖2可見單層碳纖維編織布中的碳纖維絲束均與樹脂潤濕良好，未見富樹脂的層次或氣孔形貌；纖維布之間的界面絲束相互垂直交錯，局部形貌展示了三層結(jié)構(gòu)。說明RTM優(yōu)化工藝達到了增強體的絲束之間、纖維布之間樹脂與纖維界面的充分潤濕，且導致隨后均勻分布的聚合反應。

垂直于拉伸方向的單層碳纖維編織布絲束之間，在樹脂區(qū)斷裂的形貌，斷口呈現(xiàn)出光滑的解理斷裂形貌，斷裂方式為典型的脆性斷裂[9]。平行于拉伸方向的單層碳纖維編織布展示碳纖維拉斷，并且碳纖維具有拉出的特點，該種斷裂方式較前者具有更高的抵抗變形和拉斷的能力，因此對于拉伸強度的提高具有主要作用。

而垂直于軸向的碳纖維絲束在拉伸力的作用下，碳纖維與環(huán)氧樹脂脫離，在環(huán)氧樹脂斷面留下明顯的犁溝狀形貌。

圖3為圖2的1區(qū)形貌放大圖，從圖中可以看出環(huán)氧樹脂已經(jīng)完全浸潤到碳纖維編織體束當中，且無明顯的氣孔等缺陷。

圖3 軸向碳纖維拉伸斷口1區(qū)SEM形貌

通過斷口形貌圖可以證實樹脂基碳纖維復合材料在拉伸斷裂過程中主要有三種吸能方式。第一種方式為碳纖維的斷裂，碳纖維作為復合材料的增強體，其本身的斷裂必定吸收大量的功，為主要的材料斷裂阻礙方式；第二種方式為環(huán)氧樹脂的脆性斷裂，按照環(huán)氧樹脂本身的拉伸性能，可以判斷其在斷裂過程中起到一定的阻礙作用；第三種方式為碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面破壞，可以看到材料在斷裂過程中，碳纖維斷裂后從環(huán)氧樹脂基體中被拔出，且碳纖維單絲表面存在褶皺和變形形貌，對比原始的碳纖維單絲的光滑表面，說明碳纖維和環(huán)氧樹脂形成了結(jié)合界面且在拉伸斷裂時被破壞，裂紋沿著結(jié)合界面擴展從而吸收了更多的功[10]。

綜上所述，三種吸能方式的共同作用導致了環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料具有較高的拉伸性能。

圖4為圖2的2區(qū)形貌放大圖，從圖中可以看出，部分區(qū)域的碳纖維會聚集成簇，纖維相互交錯，形成了碳纖維單絲相互貼合的現(xiàn)象，而且碳纖維單絲表面更加光潔，可以判斷出環(huán)氧樹脂在此區(qū)域的浸潤并不完全。另外，還可以看到該區(qū)域的裂紋相較于1區(qū)有更大的間隙。這是因為：其一，2區(qū)域處的碳纖維含量明顯更高，導致了碳纖維與環(huán)氧樹脂的接觸面積增大，樹脂浸潤碳纖維的難度也更大；其二，碳纖維含量增加，纖維單絲之間的接觸概率增大，樹脂難于進入碳纖維空隙之間導致了樹脂浸潤不充分[11]。該區(qū)域的存在影響了碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面強度，阻礙了試驗材料拉伸強度的進一步提高。

圖4 軸向碳纖維拉伸斷口2區(qū)SEM形貌

圖5為垂直于軸向碳纖維區(qū)域斷口形貌放大圖。

圖5 垂直軸向碳纖維拉伸斷口SEM形貌

由圖5a可以看出，垂直于軸向的碳纖維一部分直接從界面處開裂脫離環(huán)氧樹脂基體，另一部分碳纖維會剪切斷裂再脫離斷口。在樹脂基體處可以看到從界面處擴展的密集裂紋，說明相對于碳纖維的斷裂，裂紋更容易從樹脂與碳纖維的界面處萌生擴展。由圖5b的斷口形貌可以看出，軸向與垂直于軸向的碳纖維在拉伸作用下脫離樹脂基體都留下了犁溝狀的形貌，而樹脂基體斷口表面的不光滑與不平整性，更證實了碳纖維與環(huán)氧樹脂之間形成了一層特殊的結(jié)合界面。

3 結(jié)論

采用RTM工藝(鋪設6層3K-T300碳纖維編織布，3312環(huán)氧樹脂)制備得到2.5mm厚的碳纖維/環(huán)氧復合材料樣件。樣件的拉伸強度和彎曲強度分別為459.17MPa和576.82MPa，其強度由鋪層之間和纖維之間界面良好潤濕和聚合所決定。拉伸斷口中碳纖維和環(huán)氧樹脂脆性斷裂以及碳纖維與環(huán)氧樹脂界面裂紋萌生擴展及斷裂三種方式的共同作用是試樣失效的機制。