中間相瀝青基碳纖維與T800H碳纖維復(fù)合材料性能對(duì)比

田雨華，王象東，王輝，王碩，劉輝

(1.山東瑞城宇航碳纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 山東 濟(jì)寧 272000；2.北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；3.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引言

碳纖維是一種碳元素含量超過95%的特種纖維材料。該材料具有高強(qiáng)、高模、耐腐蝕、耐疲勞、負(fù)膨脹、耐熱以及導(dǎo)電、導(dǎo)熱等優(yōu)良特性，經(jīng)常作為結(jié)構(gòu)和功能材料使用[1]。碳纖維按其原料來源一般分為三類：聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維。市場(chǎng)上較為常見的一般為聚丙烯腈基碳纖維，其突出性能是強(qiáng)度高[2]。

中間相瀝青基碳纖維是國(guó)內(nèi)最新量產(chǎn)成功的新型特種碳材料，含碳量在99%以上。相比聚丙烯腈碳纖維，其獨(dú)特之處是具有超高的彈性模量和優(yōu)異的導(dǎo)熱性能[3]，特別適用于制備高導(dǎo)熱、高尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料構(gòu)件，對(duì)我國(guó)大功率通信衛(wèi)星、高性能SAR天線衛(wèi)星、高精度遙感衛(wèi)星和核動(dòng)力衛(wèi)星等新型衛(wèi)星型號(hào)，以及高超聲速飛行器、核能、新型戰(zhàn)略導(dǎo)彈、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用需求具有重要意義[4]。2018年山東瑞城宇航碳纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司生產(chǎn)的導(dǎo)熱率為600 W/(m·K)高導(dǎo)熱中間相瀝青碳纖維達(dá)到了航天科技集團(tuán)X院工程運(yùn)用的要求，用于某型號(hào)衛(wèi)星的可展開熱輻射器研制。該型號(hào)中間相瀝青碳纖維應(yīng)用評(píng)價(jià)已通過航天科技X院評(píng)審，將于2023年進(jìn)行應(yīng)用性飛行試驗(yàn)。

本文利用山東瑞城生產(chǎn)的中間相瀝青基碳纖維(6K)預(yù)浸料和T800H碳纖維(6K)預(yù)浸料通過熱壓工藝制備了單向復(fù)合材料板。通過對(duì)其力學(xué)和熱學(xué)測(cè)試，對(duì)比二者性能差異性，為下游用戶對(duì)產(chǎn)品認(rèn)知和應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

中間相瀝青基碳纖維(山東瑞城)預(yù)浸料(5182環(huán)氧樹脂基，面密度120 g/m2)；T800H碳纖維(日本東麗)預(yù)浸料(5182環(huán)氧樹脂基，面密度200 g/m2)，山東瑞城復(fù)合材料有限公司；E-44環(huán)氧樹脂、三乙烯四胺、丙酮(國(guó)產(chǎn))。碳纖維基本性能指標(biāo)見表1。

表1 中間相瀝青基碳纖維和T800H碳纖維(6K)基本性能數(shù)據(jù)(廠家提供)

1.2 主要設(shè)備及儀器

伺服壓裝機(jī)：SDB-101-6T，深圳市賽柏敦自動(dòng)化設(shè)備有限公司(圖1)；萬能材料試驗(yàn)機(jī)：5967型，美國(guó)英斯特朗公司；固液兩用密度儀：FK-100S，廈門市弗布斯檢測(cè)設(shè)備有限公司；差示掃描量熱儀：DSC8000,美國(guó)鉑金埃爾默股份有限公司；精密電子天平：WXT3TDU，METTLER TOLEDO；激光導(dǎo)熱儀：LFA467,德國(guó)耐馳儀器制造有限公司；電子數(shù)顯卡尺：0～300 mm，桂林津廣精密量具有限公司；電熱真空干燥箱：DZF-6050ABF，天津工興實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司。

圖1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

1.3 板材制備

將預(yù)浸料從冷藏室取出，室溫靜置一段時(shí)間后進(jìn)行裁剪、鋪疊，放入模具，使用伺服壓裝機(jī)分別制備出厚度約1 mm和2 mm兩種規(guī)格的單向復(fù)合板(圖2)。

圖2 制備的單向碳纖維復(fù)合板

1.4 測(cè)試方法

復(fù)合板體密度測(cè)定：采用浮力法(排水法)對(duì)復(fù)合板的體密度進(jìn)行測(cè)試。板材纖維體積含量和孔隙率測(cè)定：參照GB/T 3365—2008測(cè)定。復(fù)合板性能測(cè)試：使用美國(guó)instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)w維復(fù)合板的拉伸、彎曲、壓縮和剪切性能，每組8個(gè)試樣。復(fù)合板拉伸性能：參照GB/T 3354—2014標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；彎曲性能：參照GB/T 3356—2014標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；壓縮性能：參照ASTM D 6641/D 6641 M-16標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；層間剪切：參照J(rèn)C/T 773—2010標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

復(fù)材板比熱容和軸向?qū)幔褐茦訁⒄毡本┖娇蘸教齑髮W(xué)王紹凱等人[5]的發(fā)明專利，測(cè)試導(dǎo)熱參照ASTM E1461—2013。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合板體密度、纖維體積含量和孔隙率分析

復(fù)合板體密度、纖維體積含量和孔隙率數(shù)據(jù)能在一定程度上反映出制備的板材的品質(zhì)。一般纖維體積含量要求達(dá)到60%±3%，孔隙率低于1%。制備板材的相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果見表2，可滿足后續(xù)測(cè)試要求。

表2 復(fù)合板的體密度、纖維體積含量和孔隙率數(shù)據(jù)

2.2 復(fù)合板的力學(xué)性能分析

圖3為力學(xué)性能測(cè)試對(duì)應(yīng)的試樣。表3～表6列舉了測(cè)試的兩種板材的0 °方向的拉伸強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量、壓縮強(qiáng)度和模量以及層剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，中間相瀝青基碳纖維的強(qiáng)度數(shù)據(jù)比T800H均較低(圖4)，但是模量比T800均較高(圖5)。與表1廠家提供的兩種復(fù)絲拉伸強(qiáng)度和模量數(shù)據(jù)存在相似的差異。

圖3 力學(xué)性能測(cè)試樣品

圖4 強(qiáng)度對(duì)比圖

圖5 模量對(duì)比圖

表3 復(fù)合板0 °拉伸強(qiáng)度和模量

表4 復(fù)合板0 °方向彎曲強(qiáng)度和模量

表5 復(fù)合板0 °方向壓縮強(qiáng)度和模量

表6 復(fù)合板0 °方向?qū)娱g剪切強(qiáng)度

在樹脂基體相同的條件下出現(xiàn)此種現(xiàn)象，從工藝方面是由于中間相瀝青基碳纖維生產(chǎn)過程中最終熱處理溫度遠(yuǎn)高于聚丙烯腈基碳纖維，使得石墨纖維內(nèi)的微晶排列更加規(guī)整，取向性更加有序，這對(duì)提升模量至關(guān)重要[6]。而聚丙烯腈基碳纖維為亂層石墨結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空孔隙較大且存在明顯皮芯結(jié)構(gòu)，這可能有助于提高其拉伸變形和強(qiáng)度[2]。另外，從與樹脂結(jié)合方面，由于中間相瀝青基碳纖維是超高溫石墨化處理，表面基團(tuán)更少，相比聚丙烯腈基碳纖維，與樹脂結(jié)合的的難度相對(duì)較大。

2.3 復(fù)合板的導(dǎo)熱性能分析

圖6為制備的導(dǎo)熱測(cè)試樣片。導(dǎo)熱系數(shù)表征物體傳遞熱量的能力，導(dǎo)熱系數(shù)越高，反映材料散熱能力越強(qiáng)。

圖6 導(dǎo)熱性能測(cè)試樣品

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了兩種碳纖維復(fù)材的軸向(0 °方向)導(dǎo)熱系數(shù)，中間相瀝青基碳纖維復(fù)材的軸向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)高于T800H碳纖維復(fù)材(表7)。纖維熱傳導(dǎo)主要依靠晶格波的傳遞，石墨纖維微晶尺寸較大，微晶結(jié)構(gòu)相對(duì)完善，聲子的平均自由程隨之也較大，并且其沿纖維軸的取向度更高，因此表現(xiàn)出更高的導(dǎo)熱能力[7]。

表7 復(fù)合板0 °方向?qū)嵯禂?shù)

3 結(jié)論

通過中間相瀝青基碳纖維復(fù)合材料和T800H碳纖維復(fù)合材料性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，T800H碳纖維復(fù)合材料有更高的強(qiáng)度，可用于結(jié)構(gòu)件制備和應(yīng)用；而中間相瀝青基碳纖維復(fù)合材料主要優(yōu)勢(shì)為具備超高模量和高導(dǎo)熱系數(shù)，可用于結(jié)構(gòu)功能一體化器件制備和應(yīng)用。