耐高溫碳纖維樹脂基復(fù)合材料的制備與研究

摘" " " 要： 碳纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、耐溫的特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，因此研究其耐溫性能具有重大意義。以24K-T300為增強(qiáng)體，以692-9G型環(huán)氧樹脂體系通過(guò)真空樹脂導(dǎo)流成型工藝制備碳纖維樹脂基復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)測(cè)試和熱氧老化實(shí)驗(yàn)，分析高溫對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：熱氧老化后碳纖維復(fù)合材料的失重率先急速上升后趨于平緩，老化初期水分與低分子物在高溫狀態(tài)下?lián)]發(fā)，老化后期復(fù)合材料與氧氣發(fā)生化學(xué)老化，并致使分子鏈斷裂且界面遭到破壞，造成復(fù)合材料拉伸性能降低。

關(guān)" 鍵" 詞：碳纖維樹脂基復(fù)合材料；真空樹脂導(dǎo)流成型工藝；熱氧老化；界面

中圖分類號(hào)：TB332" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）06-0812-04

碳纖維樹脂基復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、性能高、設(shè)計(jì)靈活度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，可以代替部分傳統(tǒng)材料成為新型材料并得以廣泛使" "用[1]。復(fù)合材料液體成型技術(shù)（LCM），是在一定壓力下向鋪設(shè)有預(yù)成型體的封閉模具中注入樹脂，液體樹脂在流經(jīng)模具型腔的過(guò)程中可以潤(rùn)濕和固化預(yù)制件，從而制備出復(fù)合材料的技術(shù)手段[2]。目前，真空樹脂導(dǎo)流工藝（VARI）是復(fù)合材料液體成型技術(shù)中成本低、易操作的制備工藝之一。

VARI是以樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）為基礎(chǔ)，為滿足低成本、易操作的需求發(fā)展而來(lái)的，此工藝是在真空負(fù)壓條件下完成制備的，使用密封膠將柔性真空袋包裹在單面剛性模具上，在真空條件下實(shí)現(xiàn)樹脂體系流動(dòng)與對(duì)纖維滲透并固化的一種制備成型工藝[3-6]。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 原材料

在碳纖維復(fù)合材料制備中，復(fù)合材料的強(qiáng)度取決于高性能碳纖維，它是制約先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的重要因素；而復(fù)合材料的性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素是樹脂基體的性能。因此，實(shí)驗(yàn)原材料的選擇是至關(guān)重要的。

原材料：24K-T300碳纖維布，天津昂林貿(mào)烽高新材料有限公司；692-9G/A環(huán)氧樹脂、692-9G/B固化劑，深圳市郎博萬(wàn)先進(jìn)材料有限公司。

1.2" 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

真空泵、樹脂收集器、不銹鋼板，柔性塑料袋、脫模布、導(dǎo)流管、導(dǎo)流網(wǎng)、3M密封膠帶、樹脂導(dǎo)流硅膠接嘴等，Easy Composites Let. UTM4304 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫有限公司；WHL-25AB型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3" 樣品的制備

1.3.1" 樹脂基體制備

采用692-9G/A和692-9G/B樹脂體系，由于692-9G為耐高溫型樹脂，其樹脂黏度高，不具備很好的流動(dòng)性，并不能實(shí)現(xiàn)在真空條件下很好地導(dǎo)入到纖維布之間。因此在進(jìn)行樹脂體系制備之前，對(duì)692-9G環(huán)氧樹脂進(jìn)行預(yù)熱降低黏度處理，將樹脂升溫至60 ℃預(yù)熱1 h后出，按照100∶35的配比加入對(duì)應(yīng)的固化劑，進(jìn)行攪拌混勻，制備出具有一定抗溫特性的樹脂體系，用于VARI成型工藝。

1.3.2" 增強(qiáng)體制備

根據(jù)模具以及需求，將24K-T300碳纖維編織布裁剪成25 cm×25 cm大小，鋪設(shè)在不銹鋼板上，應(yīng)用于真空樹脂導(dǎo)流成型工藝中。

1.3.3" 碳纖維樹脂基復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)備一塊不銹鋼板，使用丙酮擦拭干凈，確保不銹鋼板上清洗干凈無(wú)雜質(zhì)后，在不銹鋼板的四周貼上專用的密封膠帶，以便于后期鋪設(shè)真空袋，并在密封膠帶內(nèi)將脫模劑均勻地涂抹在不銹鋼表面，以確保在后期脫模過(guò)程中順利地與模具分離并得到一個(gè)表面光亮地制品。靜置10 min左右等待晾干后，鋪放25 cm×25 cm的碳纖維布并固定，然后再依次鋪設(shè)脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、導(dǎo)流管、樹脂導(dǎo)流硅膠接嘴等真空輔助材料，接著覆蓋柔性塑料袋，最后使用真空泵進(jìn)行抽真空。當(dāng)真空泵工作時(shí)，柔性塑料袋下的碳纖維布被壓力壓平，當(dāng)真空氣密性維持" " 30 min時(shí)，打開開關(guān)，已制備好的樹脂體系在吸注壓力下被引流到鋪設(shè)好的纖維增強(qiáng)體中，當(dāng)軟管中的樹脂無(wú)氣泡再排出時(shí)，夾緊注入口與排出口兩端軟管，使其在真空狀態(tài)下固化，隨后將不銹鋼板送至設(shè)有140 ℃溫度的干燥箱中加熱4 h，脫模取出制件。

1.4" 力學(xué)性能測(cè)試

碳纖維樹脂基復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試參照GB/T 1447—2005，拉伸試樣尺寸為250 mm×25 mm×2.5 mm，加載載荷為30 kN，加載速率2 mm·min-1；復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試參照GB/T 1449—2005，彎曲試樣尺寸為80 mm×15 mm×2.5 mm，加載載荷為10 kN，加載速率為2 mm·min-1。

1.5" 熱氧老化實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)以24K-T300碳纖維、692-9G環(huán)氧樹脂為基體材料制備的耐高溫碳纖維樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了熱氧老化測(cè)試與研究。將需要進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的制件首次稱重后放入老化溫度設(shè)置為200 ℃的WHL-25AB型電熱恒溫干燥箱中進(jìn)行高溫老化16天，未老化試件作為參照樣組。在進(jìn)行熱氧老化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為避免制件與干燥箱直接接觸，造成受熱不均的現(xiàn)象出現(xiàn)，將鋁箔錫紙鋪設(shè)至干燥箱中，并將制件的兩端進(jìn)行支撐，以確保受熱均勻[7]。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 復(fù)合材料力學(xué)性能分析

真空樹脂導(dǎo)流成型工藝，是利用真空泵抽真空后形成的負(fù)壓將樹脂注入到纖維布之間，讓樹脂與纖維充分潤(rùn)濕以此實(shí)現(xiàn)更好的界面結(jié)合，后固化制備得到碳纖維樹脂基復(fù)合材料，并使用萬(wàn)能制樣機(jī)將復(fù)合制品裁成檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1中的數(shù)據(jù)顯示表明，碳纖維樹脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度為618.54 MPa和" "449.94 MPa。經(jīng)過(guò)查詢發(fā)現(xiàn)，使用的692-9G環(huán)氧樹脂的最高拉伸強(qiáng)度為90 MPa，而經(jīng)過(guò)成型工藝制備的碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度提高了6.8倍，與其他成型工藝制備的碳纖維樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能 相近。

2.2" 碳纖維復(fù)合材料界面失效分析

界面是纖維與樹脂基體傳遞載荷的主要渠道，樹脂基體對(duì)纖維增強(qiáng)體的潤(rùn)濕能力、纖維與樹脂基體黏結(jié)強(qiáng)度決定了復(fù)合材料力學(xué)性能的高低[8]。因此在進(jìn)行拉伸測(cè)試的過(guò)程中，當(dāng)復(fù)合材料受到一定的外界載荷的作用時(shí)，發(fā)生斷裂，對(duì)拉伸制件的截面進(jìn)行了界面的表征，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，碳纖維與樹脂基體結(jié)合良好，纖維布與樹脂黏合牢固；由于樹脂的黏度大，流動(dòng)性差，不能均勻地浸潤(rùn)單層纖維布中的纖維絲束，且部分碳纖維含量大，碳纖維絲束之間的接觸緊密，樹脂滲透纖維空隙難度較大，致使樹脂對(duì)纖維的潤(rùn)濕不足，形成了富樹脂區(qū)[9]。從斷口處看，截面處的纖維斷裂完整，無(wú)纖維絲束被抽出，說(shuō)明在制備的過(guò)程中，部分纖維絲束與樹脂浸潤(rùn)充分，發(fā)生聚合反應(yīng)，存在優(yōu)異的黏結(jié)力，證明樹脂與纖維浸潤(rùn)發(fā)生聚合形成了性能良好的界面，其力學(xué)性能也" 較好[10]。

2.3" 熱氧老化對(duì)復(fù)合材料性能的影響

碳纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)，如奧迪A8汽車的傳動(dòng)軸通道及轎廂后壁等。傳動(dòng)軸長(zhǎng)期服役在溫度較高的環(huán)境中，因此需要對(duì)材料在具有高溫和氧氣的情況下進(jìn)行性能測(cè)試。繪制的失重率與加熱時(shí)長(zhǎng)曲線如圖2所示。由圖2中可以看出，在老化的前5天，曲線斜率傾斜角度較大，失重率上升較快，質(zhì)量流失的較快；老化第8天開始，曲線的斜率傾斜角度較為平緩，失重率上升的緩慢，保持較小的增加趨勢(shì)。這是因?yàn)閺?fù)合材料老化第一階段為物理老化，老化初期，材料失重較快，內(nèi)部的水分與低分子物在高溫狀態(tài)下?lián)]發(fā)[11]，造成復(fù)合材料失重較為明顯；末期，隨著老化時(shí)間的增加，水分全部蒸發(fā)，失重的較為緩慢，此階段發(fā)生的是化學(xué)老化，復(fù)合材料與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，致使材料的性能下降，但失重率依舊在上升，不過(guò)增加的趨勢(shì)較小。

碳纖維復(fù)合材料熱氧老化后的拉伸性能如表2" 所示。由表2可以看出，在200 ℃下，碳纖維樹脂基復(fù)合材料老化16天后的拉伸強(qiáng)度為519.37 MPa，其強(qiáng)度保持率為83.97%。碳纖維樹脂基復(fù)合材料在受到高溫作用，最初發(fā)生物理老化，即復(fù)合材料內(nèi)部的水分揮發(fā)，造成質(zhì)量下降，但是性能下降得并不明顯，其強(qiáng)度保持率處于一個(gè)較高的狀態(tài)。

隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中，導(dǎo)致其性能下降。原因是材料與氧氣反應(yīng)，發(fā)生化學(xué)老化，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)的分子鏈遭到破壞，且老化的時(shí)間越長(zhǎng)，纖維與樹脂的膨脹率不同會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致界面發(fā)生脫黏現(xiàn)象[12]，界面遭到破壞，最后致使纖維和樹脂傳遞應(yīng)力的能力減弱，性能下降。

3" 結(jié) 論

1）以24K-T300、692-9G為基體材料，采用真空樹脂導(dǎo)流工藝制備碳纖維復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度分別為618.54 MPa和449.94 MPa，復(fù)合材料力學(xué)性能的優(yōu)異與界面良好潤(rùn)濕和聚合是相關(guān)的[13]。

2）熱氧老化初期，復(fù)合材料失重明顯是水分與低分子物在高溫狀態(tài)下?lián)]發(fā)造成的；后期失重率緩慢上升的原因是復(fù)合材料與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，發(fā)生化學(xué)老化。

3）碳纖維樹脂基復(fù)合材料在200 ℃下進(jìn)行熱氧老化16天后的拉伸性能為519.37 MPa，其強(qiáng)度保留率為83.97%。造成老化后碳纖維復(fù)合材料拉伸性能降低的原因是材料與氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致分子鏈斷裂，且界面遭到破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 亓淑源. 碳纖維汽車件用RTM快速成型樹脂體系及復(fù)合材料研制[D].北京：北京化工大學(xué)，2018.

[2] 李培旭，陳萍，蘇佳智，等.復(fù)合材料先進(jìn)液體成型技術(shù)的航空應(yīng)用與最新發(fā)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2016（8）：99-104.

[3] 李祎燊，閆超，王宇寧，等.泡沫芯結(jié)構(gòu)VARI工藝樹脂滲透行為研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2021，56（5）：102-105.

[4] 孫風(fēng)勝，張維英，黃亞南，等.玻璃鋼夾芯結(jié)構(gòu)真空導(dǎo)入樹脂流動(dòng)特性分析及驗(yàn)證[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2020（10）：166-168.

[5] 李彩林，高霞，柳鑫，等.VARI液體成型復(fù)合材料機(jī)蓋的數(shù)值模擬及工藝驗(yàn)證[J].塑料工業(yè)，2020，48（2）：92-96.

[6] 李恒.VARI成型碳纖維引擎蓋剛度有限元分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（24）：121-124.

[7] 徐乾倬，時(shí)卓，魯振宏，等.RTM工藝優(yōu)化及制備碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39（6）：61-63.

[8] 傅惠民，楊雨松，張勇波.國(guó)產(chǎn)碳纖維CCF300與T300碳纖維復(fù)合材料拉伸載荷下的失效模式分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010，25（10）：2163-2169.

[9] 陳邑，黃珍媛，劉穎，等.碳纖維含量對(duì)增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料性能的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2019（9）：64-68.

[10] 敖玉輝，尚壘，石飛，等.一種碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備工藝及性能研究[J].化工新型材料，2013，41（12）：57-59.

[11] 馬少華，費(fèi)昺強(qiáng)，許良，等.熱氧老化對(duì)碳纖維雙馬樹脂基復(fù)合材料性能的影響[J].材料工程，2017，45（12）：50-57.

[12] 毛毅瑋. 耐高溫樹脂基碳纖維復(fù)合材料的濕熱及熱氧老化行為[D].上海：東華大學(xué)，2020.

[13] 劉振賓，時(shí)卓，左繼成，等.RTM工藝制備碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39（3）：16-19.

Abstract：" "Carbon fiber composite has been widely used in the automotive industry because of its light weight and temperature resistance， so it is of great significance to study its temperature resistance. In this paper， carbon fiber resin matrix composites were prepared by vacuum resin diversion molding process with 24K-T300 as reinforcement and 692-9G epoxy resin system. The mechanical tests and thermal oxygen aging tests were carried out to analyze the effect of high temperature on the properties of carbon fiber resin matrix composites. The results showed that the weight loss of carbon fiber composites after thermal oxygen aging first rose rapidly and then tended to be flat. At the early stage of aging， water and low molecular weight compounds volatilized at high temperature. At the later stage of aging， the composites and oxygen underwent chemical aging， resulting in molecular chain fracture and interface damage， resulting in the decrease of tensile properties of the composites.

Key words：" Carbon fiber resin matrix composites; Vacuum resin diversion molding process; Thermal oxygen aging; Interface