國產(chǎn) T800H碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料化學(xué)結(jié)合及特性研究

王莉 拜斌 張璋 肇研

摘要：研究了國產(chǎn)T800H碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料濕熱處理前后力學(xué)性能，并通過掃描電鏡觀察濕熱后復(fù)合材料界面結(jié)合狀態(tài)。結(jié)果表明，國產(chǎn)T800H碳纖維表面有溝槽，粗糙度大，有利于纖維與樹脂形成更好的物理結(jié)合。同時，國產(chǎn)T800H碳纖維表面有活性官能團(tuán)，有利于纖維與樹脂形成更好的化學(xué)結(jié)合。國產(chǎn) T800H碳纖維與樹脂基體的界面結(jié)合強度高，微觀界面剪切強度可達(dá)56.38 MPa。濕熱處理后復(fù)合材料力學(xué)性能略有下降，0°壓縮強度及開孔壓縮強度保持率66%以上，層間剪切強度保持率47%，表明國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有較好的耐濕熱性能。

關(guān)鍵詞：T800H碳纖維，復(fù)合材料，界面，濕熱，力學(xué)性能

中圖分類號：TB332；TQ342+.742文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0073-04

StudiesonchemicalbondingandcharacteristicsofdomesticT800Hcarbonfiber/epoxyresincomposites

WANG Li1，BAI Bin2，ZHANG Zhang1，ZHAO Yan3

（1．AVIC The First Aircraft Institute，Xi'an 710089，China；

2. The Sixth Representative Office of the Navy in Xi'an，Xi'an 710061，China；

3．School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract： The mechanical properties of domestic T800H carbon fiber/epoxy resin composites before and after hy? grothermaltreatment were studied，and the interface bonding state of the composite after wet heat was observed by scanning electron microscopy. The results showed thatthere were grooves and large roughness on the surface of do? mestic T800H carbon fiber，which were conducive to the formation of better physical combination between fiber and resin。。At the sametime，the active function groups on the surface of the domestic T800H carbon fibers were conducive to the formation of better chemical bonding between fiber and resin 。Therefore，the interface bonding strength of domestic T800H carbon fiber and resin matrix was high，and the micro interfacial shear strength could reach 56.38 MPa. Mechanical properties of domestic T800H carbon fiber/epoxy resin composite decreased slightly under hygrothermal environment，the performance retention rate of the 0° compressive strength and open hole com? pressive strength was more than 66%，the retention rate of interlaminar shear strength was 47%，indicating that do? mestic T800H carbon fiber/epoxy resin composite has good hygrothermal performance.

Keywords： T800H carbon fiber；composite；interphase；hygrothermal；mechanical properties

碳纖維復(fù)合材料由碳纖維、樹脂基體和兩者之間的界面組成，碳纖維作為增強相主要起承載作用，樹脂作為基體相主要起連接增強相和傳遞載荷作用，界面是連接碳纖維和樹脂基體的重要“橋梁”，良好的界面結(jié)合能將載荷有效的傳遞到纖維上，從而最大限度發(fā)揮纖維的承載作用[1-2]。因而，碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于碳纖維和樹脂的性能，而且與兩者之間界面粘結(jié)強度密切相關(guān)[3-5]。碳纖維的表面特性直接影響復(fù)合材料的界面性質(zhì)和界面粘接強度，進(jìn)而影響到復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，研究碳纖維的表面特性及復(fù)合材料的界面性能具有重要意義。

國外已經(jīng)將T800H碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域[6]，主要用于包括飛機尾翼、機翼、機身、發(fā)動機短艙等結(jié)構(gòu)部位，實現(xiàn)了武器裝備機體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、耐久性等關(guān)鍵戰(zhàn)技指標(biāo)。由于飛行器的服役環(huán)境經(jīng)常變化，而溫度和濕度的變化對復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，在濕熱條件下復(fù)合材料力學(xué)性能會出現(xiàn)不同程度的下降。為保證飛行器的安全，在應(yīng)用復(fù)合材料時需考慮濕熱條件下復(fù)合材料性能。

研究了國產(chǎn)T800H 碳纖維表面形貌和化學(xué)特性，通過單絲斷裂實驗研究了國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在干態(tài)和濕熱環(huán)境下的微觀界面剪切強度。通過對國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行濕熱處理，研究了濕熱處理前后復(fù)合材料的基本力學(xué)性能。

1 實驗材料與方法

1.1實驗材料

國產(chǎn)T800H 碳纖維，纖維絲束為12 K；環(huán)氧樹脂為AC531；國產(chǎn)T800H碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料制備工藝為預(yù)浸料鋪貼熱壓罐成型。復(fù)合材料濕熱處理條件：溫度為71℃ ，水浸14 d。

1.2實驗方法

1.2.1掃描電子顯微鏡（SEM）

采用JSM 6010型掃描電子顯微鏡觀察碳纖維及其復(fù)合材料形貌，加速電壓為20 kV。

1.2.2 原子力顯微鏡（AFM）

采用Veeco ICON 型原子力顯微鏡微探針掃描觀察原子形貌和表征表面粗糙度，掃描面積為3μm ×3μm，采用Nano Scope 軟件分析粗糙度。

1.2.3 X 射線光電子能譜儀

采用Thermo VG ESCALAB250型X 射線光電子能譜儀，分析碳纖維的表面成分。官能團(tuán)種類和所占比例采用XPS-peak軟件分峰處理得到。

1.2.4 微觀界面剪切強度

采用單纖維斷裂實驗測試復(fù)合材料微觀界面剪切強度，實驗過程中拉伸速率為2μm/s，對偏光顯微鏡下的光彈花樣進(jìn)行視頻成像，測量、統(tǒng)計單絲斷裂長度，基于Kelly-Tyson模型計算復(fù)合材料微觀界面剪切強度。

1.2.5 復(fù)合材料力學(xué)性能

采用5928型電子萬能試驗機測試不同處理條件下復(fù)合材料的力學(xué)性能。壓縮性能按照 SCAMA 1R 方法測試，層間剪切性能按照ASTM D 2344方法測試，開孔壓縮性能按照ASTM D 6484方法測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維表面形貌

采用 SEM 和AFM 對國產(chǎn)T800H 碳纖維表面形貌測試，碳纖維表面的SEM 和AFM 照片如圖1和圖2所示。

從圖1可看出，國產(chǎn)T800H 碳纖維表面存在沿纖維軸向分布的溝槽，溝槽深淺不一。圖2的AFM 照片也表明國產(chǎn)T800H 碳纖維表面存在大量溝槽。碳纖維表面溝槽雖然會增加表面微裂紋存在的概率，帶來一定程度的表面缺陷，降低碳纖維拉伸強度，但由于表面溝槽會增加碳纖維的表面能，一方面有利于碳纖維與樹脂的浸潤，增強纖維與樹脂的化學(xué)結(jié)合，另一方面利于形成較強的機械嚙合，從而提升碳纖維與樹脂的界面性能[7-8]。

采用SEM 觀察碳纖維表面形貌的同時，可以測量碳纖維的直徑，測量了30根碳纖維直徑，取其平均值，結(jié)果如表1所示。由原子力顯微鏡的三維形貌圖通過Nano Scope 分析軟件可計算出碳纖維表面粗糙度，得到國產(chǎn) T800H 纖維的平均粗糙度。國產(chǎn) T800H 碳纖維直徑為5.23μm，表面粗糙度（RA）為23.3 nm。

2.2 碳纖維表面化學(xué)特性

用XPS 全譜掃描表征國產(chǎn)T800H 碳纖維表面化學(xué)元素組成，XPS全掃描圖如圖3所示。

從圖3可以看出，國產(chǎn)T800H 碳纖維表面主要以碳、氧元素為主。根據(jù)各種元素的積分面積計算得到各元素比例含量，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，國產(chǎn)T800H 碳纖維除碳、氧兩種元素外，還有硅、氮、硫等元素。纖維表面含氧、氮官能團(tuán)不僅可以提高碳纖維的表面能，還可以與樹脂形成化學(xué)鍵合，提高界面粘接強度。纖維表面的硅元素可能是在原絲制備中的硅系油劑殘留所致，硫元素可能是上漿劑輔劑中硫系抗氧化劑成分。碳纖維的表面活性可以用O/C 比表示，O/C 比越大，表明碳纖維的表面活性越強，與樹脂基體發(fā)生的化學(xué)鍵合力越強。國產(chǎn)T800H碳纖維表面O/C比為0.24。

為了進(jìn)一步了解碳纖維表面碳元素的化學(xué)狀態(tài)，對 C1s 譜峰進(jìn)行窄譜掃描，采用XPS- peak 軟件對C1s峰進(jìn)行分峰處理，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，國產(chǎn)T800H 碳纖維表面含碳官能團(tuán)主要有—C—C—（或—C—H）、—C—OH（或— C—OR）、—C==O 此3種，通常認(rèn)為—C—C—，或— C—H 為化學(xué)惰性官能團(tuán)；—C—OH，或—C—OR、— C==O等為化學(xué)活性官能團(tuán)。

根據(jù)C1s 分峰譜圖，計算各官能團(tuán)含量，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，國產(chǎn)T800H 碳纖維表面—C—C—（或—C—H）官能團(tuán)含量為67.3%，—C—OH（或—C— OR）官能團(tuán)含量25%左右，—C==O 官能團(tuán)含量7.8%。碳纖維表面活性官能團(tuán)的含量影響纖維與樹脂之間粘接性能，碳纖維表面的活性官能團(tuán)有利于碳纖維與樹脂之間形成化學(xué)鍵，可以提高復(fù)合材料的界面粘接強度及耐濕熱性能。

2.3 微觀界面性能

通常采用界面剪切強度（IFSS）來評價纖維與樹脂間的微觀界面性能。

采用單絲斷裂試驗測試復(fù)合材料體系的微觀界面剪切強度，室溫/干態(tài)及室溫/濕態(tài)下的光彈花樣如圖5所示；用單絲斷裂法計算得到的界面剪切強度如表4所示。

從圖5可看出，在室溫/干態(tài)下國產(chǎn)T800H 碳纖粘接維單絲復(fù)合體系斷點呈現(xiàn)扁平X 型光彈花樣，表明纖維與樹脂形成較強界面。與干態(tài)條件下光彈花樣相比，濕態(tài)下光彈花樣的X 型更加拉伸，說明濕熱處理對界面造成了一定程度的損傷。

由表4可知，從復(fù)合材料界面剪切強度看，濕態(tài)下界面剪切強度保持率為94.13%，表明濕熱處理對界面造成的損傷較小，國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有較好的耐濕熱性能。

2.4復(fù)合材料的濕熱性能

國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在室溫環(huán)境和高溫濕態(tài)環(huán)境下的力學(xué)性能如表5所示。

由表5可知，國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在干態(tài)條件下，130℃測試溫度下復(fù)合材料0°壓縮強度、層間剪切強度、開孔壓縮強度有不同程度的下降，但保持率均在59%以上。在濕熱處理后，國產(chǎn) T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能下降，但0°壓縮強度及開孔壓縮強度保持率仍在66%以上，層間剪切強度下降明顯，性能保持率為47%，表明復(fù)合材料具有較好的界面性能及耐濕熱性能。

復(fù)合材料層間剪切形貌可有效表征復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能，不同濕熱條件下國產(chǎn)T800H碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層間剪切斷面的SEM圖如圖6所示。

從圖6可以看出，干態(tài)條件下纖維表面粘附較多樹脂，結(jié)合緊密，表明國產(chǎn)T800H 碳纖維與環(huán)氧樹脂具有較好的界面結(jié)合性能。而濕熱處理后纖維表面粘附樹脂較少，出現(xiàn)界面裂紋，表明濕熱處理影響了復(fù)合材料界面結(jié)合能力，從而導(dǎo)致濕熱處理后復(fù)合材料的層間剪切強度下降。

3 結(jié)語

（1）國產(chǎn)T800H 碳纖維表面有溝槽，粗糙度大，有利于纖維與樹脂的機械“嚙合”；碳纖維表面有化學(xué)活性官能團(tuán)，表面元素O/C 比較高，有利于纖維與樹脂發(fā)生化學(xué)結(jié)合；

（2）采用單纖維斷裂法測試的室溫干態(tài)下復(fù)合材料微觀界面剪切強度為56.38 MPa，表明纖維與樹脂性能形成較強界面。光彈花樣分析顯示濕熱處理對復(fù)合材料界面造成了一定程度的損傷，但損傷較小，濕態(tài)下復(fù)合材料微觀界面剪切強度保持率94.13%；

（3）國產(chǎn)T800H碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能分析表明，干態(tài)時，130℃測試溫度下0°壓縮強度、層間剪切強度和開孔壓縮強度均具有較高保持率。濕熱處理后，復(fù)合材料性能略有下降，但性能保持率在50%以上，表明國產(chǎn)T800H 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有較好的耐濕熱性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ZHANG Q J，LIANG S B，SUI G，et al. influence of matrixmodulus on the mechanical and interfacial properties of car? bon fiber fiament woundcomposites[J]. RSCAdvanced，2015（5）：25208-25214.

[2] 李偉東，張金棟，劉剛，等.國產(chǎn)T800碳纖維/雙馬來酰亞胺復(fù)合材料的界面及力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2016，33（7）：1484-1491

[3] 李燁，肇研，孫沛，等.碳纖維表面狀態(tài)對其復(fù)合材料界面性能的影響[J].材料科學(xué)與工藝，2014，22（2）：86-91.

[4] 李健芳，張婭婷，孫宏杰，等。國產(chǎn)高性能碳纖維復(fù)合材料界面性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013，234（4）：28-31.

[5]CHUNGDD L，CHUNG D. Carbon fiber composites[M]. New York：Elsevier，2012.

[6] 孫振起，吳安如，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2015，29（6）：61-69.

[7] 彭公秋，楊進(jìn)軍，曹正華，等.碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的界面[J].材料導(dǎo)報，2011，25（4）：1-4.

[8] 石峰暉，代志雙，張寶艷.碳纖維表面性質(zhì)分析及其對復(fù)合材料界面性能的影響[J].航空材料學(xué)報，2010，30（3）：43-47.