T700碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料微波固化試驗(yàn)

王春文，常新龍，胡 寬，張 青，張有宏，王 偉

(火箭軍工程大學(xué)， 西安 710025)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的使用范圍也變得越來(lái)越廣泛，例如航空航天、交通運(yùn)輸、汽車(chē)與造船等領(lǐng)域[1-2]。然而，碳纖維復(fù)合材料的傳統(tǒng)固化方法存在著固化產(chǎn)物質(zhì)量不均勻、溫度梯度大、固化周期長(zhǎng)等問(wèn)題[1-2]。微波固化技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了解決方案。在碳纖維復(fù)合材料固化方面，微波固化技術(shù)因其獨(dú)特的加熱機(jī)理使得固化過(guò)程加熱均勻，固化效率大大提高，固化產(chǎn)物的性能得到了改善。為推進(jìn)微波固化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究者采取眾多的研究方法對(duì)微波固化產(chǎn)物的性能進(jìn)行了研究。Joshi等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)微波固化與熱固化結(jié)合的方法比采用高壓釜固化快2.5倍，能量消耗僅為高壓釜固化的1/4，而且產(chǎn)物的拉伸和彎曲性能要優(yōu)于高壓釜固化產(chǎn)物的相關(guān)性能[3]。國(guó)內(nèi)的研究者通過(guò)改造現(xiàn)有熱固化設(shè)備，在傳統(tǒng)的熱固化設(shè)備高壓罐中引入微波，也得到了相比于傳統(tǒng)高壓釜固化力學(xué)性能更好的產(chǎn)物[4-5]。國(guó)內(nèi)的李迎光等研究者針對(duì)微波難以穿透和加熱多向碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的問(wèn)題展開(kāi)了研究，并提出了一種利用金屬條激發(fā)垂直穿透微波的新方法，可以直接加熱多向碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料[6]。陳平[7]和馬仁利[8]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)微波固化技術(shù)不僅會(huì)縮短固化時(shí)間而且不會(huì)改變產(chǎn)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)。張青等通過(guò)改進(jìn)微波固化工藝得到了孔隙率更低的產(chǎn)物，而且力學(xué)性能與熱固化產(chǎn)物基本相當(dāng)[9]。王大為等通過(guò)改進(jìn)改性雙馬樹(shù)脂及復(fù)合材料的微波固化工藝，得到了與熱壓罐工藝性能相當(dāng)?shù)墓袒a(chǎn)物[10]。梳理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)在對(duì)微波固化過(guò)程中材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)而解釋微波固化產(chǎn)物性能變化方面報(bào)道較少。為進(jìn)一步研究微波固化過(guò)程中材料溫度變化以及應(yīng)變變化對(duì)材料性能的影響，本文使用相同的固化工藝分別對(duì)層合板進(jìn)行熱固化以及微波固化實(shí)驗(yàn)，利用T700碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料制作層合板試件，在試件中埋入FBG傳感器和熒光光纖傳感器，監(jiān)測(cè)層合板的微波固化過(guò)程以及熱固化過(guò)程，通過(guò)對(duì)微波固化和熱固化后試件的溫度分布、應(yīng)變變化進(jìn)行對(duì)比分析以及分別對(duì)其進(jìn)行DSC測(cè)試和拉伸性能測(cè)試，研究碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料微波固化后的力學(xué)性能變化及其機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

威海光威復(fù)合材料公司生產(chǎn)的單向T700碳纖維預(yù)浸布是本次試驗(yàn)的原材料，厚度為0.2 mm，纖維單位面積質(zhì)量100 g/m2，樹(shù)脂含量30%。傳感器選擇FBG傳感器和熒光光纖傳感器；選用METTLER TOLEDO公司的DSC822型DSC測(cè)試儀測(cè)試固化產(chǎn)物的固化度；選用深圳新三思材料檢測(cè)公司的CMT 5205型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展拉伸試驗(yàn)；選用重慶銀河試驗(yàn)儀器有限公司的熱固化試驗(yàn)設(shè)備LR016型電烘箱開(kāi)展熱固化試驗(yàn)；微波固化裝置頻率為2.45 GHz，功率為 10 kW，自研制。

1.2 光纖埋入與固化工藝

為了監(jiān)測(cè)固化過(guò)程中的溫度均勻度和應(yīng)變變化，將FBG傳感器(S1，S2，T1，T2)分為兩組，其中T1與T2分別用毛細(xì)玻璃管封裝。首先對(duì)試驗(yàn)用的FBG傳感器進(jìn)行熱敏感系數(shù)和應(yīng)變敏感系數(shù)的測(cè)定，本文依據(jù)文獻(xiàn)[11]中提供的試驗(yàn)方法對(duì)本文所用的FBG傳感器進(jìn)行了熱敏感系數(shù)和應(yīng)變敏感系數(shù)的標(biāo)定，經(jīng)多組試驗(yàn)測(cè)試得到的應(yīng)變敏感系數(shù)為1.2 pm/με，熱敏感系數(shù)如表1所示。

表1 FBG傳感器的熱敏感系數(shù)

將分組后的FBG傳感器垂直于纖維方向分別埋入200 mm×250 mm×3 mm的熱固化和微波固化單向[0，15]碳纖維復(fù)合材料層合板，F(xiàn)BG最終的鋪設(shè)方式為[O7，F(xiàn)BG，O8]。同時(shí)，為監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料層合板表面微波固化過(guò)程中的溫度變化，將三根熒光光纖傳感器(Y1，Y2，Y3)等距地粘貼在層合板表面A、B、C三點(diǎn)處。圖1所示為傳感器在微波固化試件中的位置。

圖1 微波固化試件中傳感器放置示意圖

層合板的熱固化工藝為80 ℃/1 h+120 ℃/1.5 h，升溫速率為1 ℃/min。對(duì)層合板進(jìn)行微波固化時(shí)，保溫溫度和時(shí)間與熱固化一致，升溫速率通過(guò)改變微波功率來(lái)控制。熱固化與微波固化過(guò)程中均采用真空袋輔助施壓來(lái)對(duì)固化過(guò)程加壓，以保證固化產(chǎn)物性能。圖2所示為真空袋輔助系統(tǒng)示意圖。圖3所示為層合板正在微波固化。

圖2 真空袋輔助系統(tǒng)示意圖

圖3 固化過(guò)程中的層合板

1.3 性能測(cè)試

1) DSC測(cè)試：以未固化的層合板為參考，分別對(duì)熱固化試件和微波固化試件進(jìn)行固化度測(cè)試。具體方法為：升溫速率10 ℃/min，溫度變化范圍25～300 ℃，氮?dú)鈿夥眨?0 mL/min。

2) 拉伸性能測(cè)試：依據(jù)國(guó)標(biāo)( GB/T 3354—2014)制作相應(yīng)的拉伸試件并進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波加熱機(jī)理

微波對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加熱機(jī)理與常規(guī)的加熱方式不同。碳纖維復(fù)合材料常規(guī)的加熱方式是通過(guò)外部熱源產(chǎn)熱，熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給被加熱物體，使得碳纖維復(fù)合材料固化[1]。微波對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加熱是“體加熱”。微波作用于碳纖維復(fù)合材料，使得碳纖維復(fù)合材料自身產(chǎn)熱，加熱效率比常規(guī)的加熱方式有了很大的提升[2]。微波加熱碳纖維復(fù)合材料的熱源主要有兩個(gè)：一是微波對(duì)碳纖維復(fù)合材料樹(shù)脂基體的作用。在碳纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂基體中存在大量的極性分子。極性分子在變化的電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向極化，直至與電場(chǎng)方向一致。微波場(chǎng)中，無(wú)序排列的極性分子在方向和大小交替變化的電磁場(chǎng)的作用下，不間斷的進(jìn)行轉(zhuǎn)向極化，在極化過(guò)程中極性分子之間相互碰撞摩擦，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能[2]。二是由于碳纖維具有較高的介電性能，微波場(chǎng)作用于碳纖維使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流流經(jīng)介質(zhì)引起介質(zhì)發(fā)熱，將熱量傳遞給周?chē)臉?shù)脂基體，從而加熱樹(shù)脂基體[2]。以上兩項(xiàng)熱源使得微波加熱比常規(guī)加熱速率更快，也使得微波加熱物體均勻性更好。

2.2 固化過(guò)程中的溫度變化分析

如圖4所示，在第一保溫平臺(tái)上，微波固化和熱固化的溫度變化沒(méi)有明顯差異。第二升溫階段，微波固化試件與熱固化試件的升溫曲線較為一致。當(dāng)達(dá)到 120 ℃保溫平臺(tái)時(shí)，熱固化試件的溫度繼續(xù)上升直至130 ℃，而后降至120 ℃保溫。與熱固化試件相對(duì)比，微波固化試件在保溫階段溫度有一定起伏變化。對(duì)以上現(xiàn)象進(jìn)行分析認(rèn)為，在熱固化過(guò)程中由于熱傳導(dǎo)的加熱方式，在試件達(dá)到保溫溫度時(shí)，電烘箱的腔體溫度并未達(dá)到相應(yīng)的保溫溫度，電烘箱仍然繼續(xù)工作，因此，熱固化過(guò)程出現(xiàn)了130 ℃的峰值溫度。在第二保溫階段，熱固化在保溫后期的溫度較為穩(wěn)定，微波固化溫度上下波動(dòng)。分析認(rèn)為，熱固化是傳導(dǎo)加熱，通過(guò)加熱空氣和模具將溫度傳導(dǎo)至試件，電烘箱爐腔內(nèi)的溫度均達(dá)到120 ℃，保溫控制效果較好。然而，微波固化具有選擇性加熱的特點(diǎn)，在腔體內(nèi)部試件吸收了絕大多數(shù)的微波能，腔體內(nèi)部的其余部件幾乎不被加熱，在試件與空氣之間將會(huì)形成換熱，故使得溫度波動(dòng)較大；其次，微波固化過(guò)程的保溫階段，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的保溫溫度后，微波功率降低，此時(shí)沒(méi)有外界熱源加熱，試件與外界環(huán)境存在溫度梯度，導(dǎo)致溫度的變化響應(yīng)更快，降溫幅度更大，因此在保溫階段微波固化過(guò)程出現(xiàn)了鋸齒形的升降溫現(xiàn)象。微波固化試件在降溫時(shí)由于內(nèi)外溫差較大，所以速率較快。

圖4 FBG傳感器檢測(cè)到的固化溫度曲線

如圖5所示，在兩個(gè)溫度上升的階段和第一保溫平臺(tái)，微波固化試件內(nèi)部溫度與表面溫度基本一致。在第二保溫階段，由于微波功率變化較大，而且微波固化試件表面與空氣換熱較為明顯，因此試件內(nèi)部與表面溫度出現(xiàn)了一定的溫度差。在微波固化試件表面A、B、C三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度在固化過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本一致，排除掉測(cè)量誤差，同時(shí)刻溫度差異在±2 ℃之內(nèi)，說(shuō)明在層合板在微波固化過(guò)程中層合板外表面整體溫度分布較為均勻，這有利于保證固化產(chǎn)物的性能。分析認(rèn)為，一方面，由于碳纖維介電損耗因子較高，在微波輻照的作用下，通過(guò)碳纖維的電導(dǎo)損耗將微波能轉(zhuǎn)化為熱能耗散在材料內(nèi)部，材料整體被加熱，使得加熱較為均勻，材料沿厚度方向溫度梯度較小；另一方面，預(yù)浸料中的環(huán)氧樹(shù)脂等極性分子在微波的作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向極化，極性分子的碰撞、碰磨也會(huì)產(chǎn)生一部分熱量。微波具有較強(qiáng)的穿透性，并且碳纖維復(fù)合材料板件較薄，微波可以同時(shí)作用于材料不同厚度及不同位置，會(huì)在試件內(nèi)部形成均勻的溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)“整體加熱”。

圖5 微波固化試件表面及內(nèi)部溫度曲線

2.3 固化過(guò)程中應(yīng)變變化分析

圖6和圖7所示為熱固化試件內(nèi)部和微波固化試件內(nèi)部在固化過(guò)程的應(yīng)變變化情況。如圖6所示，在升溫階段，熱固化試件內(nèi)部的應(yīng)變逐漸減小，變化幅度較?。划?dāng)達(dá)到第二保溫階段時(shí)，固化反應(yīng)的化學(xué)收縮使得試件內(nèi)部出現(xiàn)了收縮應(yīng)變；固化反應(yīng)結(jié)束之后，試件開(kāi)始冷卻，材料內(nèi)部的收縮應(yīng)變持續(xù)增大，最終達(dá)到了-6 258 με。

圖6 熱固化試件內(nèi)部應(yīng)變曲線

圖7 微波固化試件內(nèi)部應(yīng)變曲線

如圖7所示，微波固化試件內(nèi)部在升溫階段出現(xiàn)了一定的應(yīng)變變化，變化幅度較?。辉诒仉A段，微波固化試件內(nèi)部出現(xiàn)了化學(xué)收縮引起的收縮應(yīng)變；但在冷卻階段，相比于熱固化試件，微波固化試件應(yīng)變變化幅度較小，最終內(nèi)部應(yīng)變?yōu)?83 με。對(duì)比兩種固化方式下的試件內(nèi)部應(yīng)變變化發(fā)現(xiàn)，微波固化產(chǎn)物的固化殘余應(yīng)力遠(yuǎn)小于熱固化產(chǎn)物。在對(duì)圖5微波固化試件表面溫度與試件內(nèi)部溫度的分析中得出了微波固化可以降低試件內(nèi)外溫度梯度，在試件內(nèi)部形成較為均勻的溫度場(chǎng)以及固化度場(chǎng)，從而減少了熱應(yīng)力以及固化收縮應(yīng)力，因此使得微波固化試件的殘余應(yīng)變遠(yuǎn)小于熱固化試件的殘余應(yīng)變。說(shuō)明微波固化在改善材料性能方面會(huì)發(fā)揮積極的作用。

2.4 DSC測(cè)試結(jié)果分析

從圖8未固化、微波固化和熱固化產(chǎn)物的DSC測(cè)試結(jié)果可看出未固化產(chǎn)物有明顯的放熱峰，經(jīng)過(guò)固化之后，熱固化以及微波固化產(chǎn)物均未出現(xiàn)放熱峰，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)的兩種固化方式均已將試件完全固化。

圖8 DSC測(cè)試曲線

2.5 拉伸性能測(cè)試結(jié)果分析

圖9與圖10所示為對(duì)熱固化試件和微波固化試件進(jìn)行拉伸性能測(cè)試得到的結(jié)果。對(duì)樣本中的數(shù)據(jù)取平均值得到表2中熱固化產(chǎn)物與微波固化產(chǎn)物的彈性模量與拉伸強(qiáng)度。產(chǎn)物相較于熱固化產(chǎn)物性能以及性能的離散性更好。

圖9 固化產(chǎn)物拉伸性能曲線

圖10 固化產(chǎn)物拉伸性能曲線

表2 固化產(chǎn)物拉伸性能

由表2可得，經(jīng)微波固化后的試件彈性模量與拉伸強(qiáng)度均稍高于經(jīng)熱固化后的試件彈性模量和拉伸強(qiáng)度。在拉伸破壞應(yīng)變方面，熱固化試件要稍高于微波固化試件。經(jīng)微波固化后的產(chǎn)物拉伸強(qiáng)度的離散系數(shù)為2.19%，拉伸模量的離散系數(shù)為1.82%，均小于經(jīng)熱固化后的產(chǎn)物拉伸模量和拉伸強(qiáng)度的離散系數(shù)。分析認(rèn)為，在微波固化過(guò)程中，由于碳纖維在微波照射后響應(yīng)快，而且固化過(guò)程中碳纖維的電導(dǎo)加熱起了很大作用，從而使得在碳纖維與樹(shù)脂接觸面受熱充分，在試件內(nèi)部形成了均勻的溫度場(chǎng)以及固化度場(chǎng)，從而減少了熱應(yīng)力以及固化應(yīng)力的產(chǎn)生，使得微波固化產(chǎn)物中固化殘余應(yīng)力較小，使得試件性能較為均勻，提升了產(chǎn)物的質(zhì)量。因此微波固化

3 結(jié)論

1) 微波固化與熱固化過(guò)程應(yīng)變變化趨勢(shì)基本相同，微波固化試件內(nèi)部的最終應(yīng)變?yōu)?83 με，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱固化試件的-6 258 με。表明在降低固化產(chǎn)物的固化殘余應(yīng)變方面，微波固化相比于熱固化有一定的優(yōu)勢(shì)。

2) 微波固化試件的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為1 626.34 MPa和118.04 GPa均高于熱固化試件的1 580.17 MPa和112.35 GPa，而且微波固化試件的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量離散系數(shù)分別為2.19和1.82均小于熱固化試件的6.16和5.27。說(shuō)明微波固化的“體加熱”可以使試件固化更為均勻，試件固化質(zhì)量更好，有利于提升產(chǎn)物的拉伸性能。