碳纖維浸膠紗制樣關(guān)鍵因素對拉伸強度影響的探究

李駿光，湯志強，徐宇瀟，賀彭立，徐 琪

（南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司，南京 210012）

0 前言

碳纖維作為樹脂基復(fù)合材料的重要增強體材料，其力學(xué)性能的優(yōu)劣對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的選材與選型起到至關(guān)重要的影響，行業(yè)內(nèi)通常采用浸膠紗拉伸性能作為碳纖維力學(xué)性能的表征方法［1，2］，碳纖維浸膠紗是由碳纖維紗線浸漬樹脂并固化成型的一種集束狀復(fù)合材料試樣。浸膠紗拉伸性能測試是一種科學(xué)客觀且高效便捷的測試方法，是碳纖維產(chǎn)品出廠檢驗、應(yīng)用設(shè)計等方面常見的測試項目［3］。目前行業(yè)內(nèi)浸膠紗測試已形成相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，對浸膠紗拉伸性能測試方法進(jìn)行了規(guī)范統(tǒng)一，但是根據(jù)從企業(yè)、測試機構(gòu)等調(diào)研的情況可知，同一產(chǎn)品拉伸強度和模量的測定結(jié)果存在較大偏差的問題依舊存在［4］，這主要是由于浸膠紗制樣過程中存在了影響試樣品質(zhì)的關(guān)鍵因素（如：纏繞張力、樹脂黏度、樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、纏繞速度等），而目前行業(yè)中的制樣方式普遍缺乏對上述關(guān)鍵因素的有效監(jiān)測與控制手段，這也是造成浸膠紗試樣質(zhì)量穩(wěn)定性存在差異的重要原因。

本文重點圍繞制樣過程的關(guān)鍵因素（纏繞張力、浸漬樹脂黏度、纏繞速度、樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和試樣固化形態(tài)），研究分析不同因素對12K和48K碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

碳纖維：T800-12K，線密度：450 tex，密度：1.79 g/cm3，拉伸強度≥5880 MPa，威海拓展纖維有限公司；

碳纖維：T300-48K，線密度：3200 tex，密度：1.79 g/cm3，拉伸強度≥4000 MPa，臺灣塑料工業(yè)股份有限公司；

環(huán)氧樹脂：Resin MGS? RIMR036，美國瀚森化學(xué)有限公司；

固化劑：Curing Agent MGS? RIMH039，美國瀚森化學(xué)有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

碳纖維浸膠紗制樣采用自研設(shè)備：增強纖維纏繞成型數(shù)控制樣機，見圖1。

圖1 增強纖維纏繞成型數(shù)控制樣機示意圖

1.3 實驗條件

實驗設(shè)備：68TM-10，美國 Instron；

試驗標(biāo)準(zhǔn)：ASTM D4018-17《碳和石墨連續(xù)纖維絲束性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》［5］；

試驗速度：5 mm/min。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 纏繞張力對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

碳纖維紗線在浸漬樹脂后需要通過設(shè)置一定的張力，使該束纖維中的每根單絲均處于伸直緊繃的狀態(tài)纏繞于浸膠紗框架上，直至固化形成復(fù)合材料試樣［6］。

本試驗針對T800-12K和T300-48K兩種型號的碳纖維紗線，分別考察了纏繞張力為纖維斷裂強力的0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%（其中5.0%張力僅針對T800-12K）條件下碳纖維的拉伸強度，結(jié)果見表1。從表1 可以看出，纏繞張力的大小會對碳纖維浸膠紗拉伸強度產(chǎn)生較大的影響，纏繞張力過小與過大均會使浸膠紗拉伸強度較正常結(jié)果值偏低，這主要是由于過小的張力會造成紗線中的單纖維處于非伸直狀態(tài)，進(jìn)而降低了總體的承載能力［7］，而過大的張力則會造成紗線中的部分單纖維在提前發(fā)生斷裂，這主要是因為碳纖維紗線中的每根單絲的伸直程度不可能完全一致，因而在較大外力的作用下，紗線在與浸膠裝置中的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制器、浸膠輥、導(dǎo)紗輥等裝置接觸時，發(fā)生摩擦而斷裂，進(jìn)而成為最終試樣的缺陷或微裂紋，在試驗過程中因應(yīng)力集中等情況提前造成試樣破壞。此外，相同的纏繞張力并不能使不同線密度（粗細(xì)）的碳纖維紗線獲取浸膠紗拉伸強度的正常值，因此不同線密度紗線應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)定適宜的纏繞張力值，纏繞張力值應(yīng)設(shè)定為纖維斷裂強力的0.5%～1.0%為宜。

表1 纏繞張力對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

2.2 浸漬樹脂黏度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

碳纖維浸膠紗的浸漬樹脂應(yīng)考慮與碳纖維表面上漿劑具有良好相容性的樹脂，應(yīng)嚴(yán)格關(guān)注制樣環(huán)境下的樹脂黏度是否適宜浸漬。本試驗分別采用黏度為（200±30）mPa·s、（400±30）mPa·s、（600±30）mPa·s、（800±30）mPa·s、（1000±30）mPa·s、（1200±30）mPa·s條件下的環(huán)氧樹脂對T800-12K和T300-48K碳纖維紗線進(jìn)行試驗，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，隨著樹脂黏度的增加，浸膠紗拉伸強度呈下降趨勢，這主要是因為黏度較低時，樹脂呈現(xiàn)較高的流動度和浸潤性，有利于對纖維內(nèi)部進(jìn)行滲透，形成緊密的界面結(jié)合，從而更完美地體現(xiàn)出復(fù)合材料中碳纖維的增強作用，而當(dāng)黏度較高時，樹脂的浸潤性降低，使之無法充分滲透纖維，形成浸膠紗試樣的貧、富膠區(qū)域，樹脂無法將載荷通過界面的剪切應(yīng)力有效傳遞給纖維，造成樹脂承載了比在單純基體中更大的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料整體的承載能力降低。這種情況發(fā)生在樹脂浸漬線密度較大的碳纖維時尤為明顯，如T300-48K碳纖維，在樹脂黏度為1200 mPa·s時，觀察纖維斷面可以發(fā)現(xiàn)部分纖維呈現(xiàn)灰暗顏色，這是纖維貧膠的表現(xiàn)。

在碳纖維浸膠過程中，應(yīng)將本試驗用的樹脂黏度控制在200～800 mPa·s以內(nèi)，而使用其他型號的樹脂浸漬時，可通過測量其黏度—時間曲線，如圖2所示，獲取其黏度對應(yīng)的最佳使用時間區(qū)間，進(jìn)而獲得最佳浸漬質(zhì)量的浸膠紗試樣。

圖2 樹脂黏度—時間曲線（30℃時）

2.3 纏繞速度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

機械式的制樣設(shè)備普遍采用牽引纖維的方式進(jìn)行纖維浸膠制樣，纏繞速度一方面會對制樣的整體效率產(chǎn)生影響，另一方面也會對樹脂充分浸漬纖維起到制約作用。

試驗選擇T800-12K和T300-48K碳纖維紗線，采用纏繞速度分別為0.5 r/min、1.0 r/min、2.0 r/min、5.0 r/min、10.0 r/min制備的試樣進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果見表3。從表3 和圖3 中可以看出，纏繞速度的提升，可以有效降低制樣時間，但是對浸膠紗拉伸強度試驗結(jié)果也存在影響，T800-12K碳纖維拉伸試驗結(jié)果在5種速度下并未發(fā)生明顯變化，然而T300-48K碳纖維在纏繞速度為5r/min和10r/min時，拉伸強度出現(xiàn)了明顯降低，這主要是由于T300-48K碳纖維的線密度為3200tex，遠(yuǎn)高于T800-12K碳纖維，即使浸漬樹脂的黏度和最終浸膠紗樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與其他試樣一致，但是在樹脂槽內(nèi)低于5s的浸漬時間，使樹脂未能充分浸透纖維，造成試樣明顯的外部富膠與內(nèi)部貧膠的情況，影響最終試驗結(jié)果。因此針對不同的碳纖維，應(yīng)根據(jù)樹脂黏度，設(shè)定適宜的纏繞速度，在確保其不影響拉伸強度的同時，有效提升制樣整體效率。

表3 纏繞速度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

圖3 纏繞速度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

2.4 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

實驗選擇T800-12K和T300-48K碳纖維紗線，分別制備樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（20±1）%、（30±1）%、（40±1）%、（50±1）%、（60±1）%、（70±1）%的試樣進(jìn)行試驗，該試驗使用的樹脂黏度為（600±30）mPa·s，試驗結(jié)果見表4，浸膠紗拉伸強度與樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對比分析見圖4。由表4 和圖4 可以看出，當(dāng)樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～40%的范圍區(qū)間時，浸膠紗的拉伸強度比正常值偏低，并呈現(xiàn)隨樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大的趨勢，拉伸強度試驗結(jié)果的離散性較大（Cv值大于5%），整體穩(wěn)定性較差。這主要是因為樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體偏低會造成樹脂基體難以充分包裹碳纖維的情況，盡管適宜黏度的樹脂可以充分浸漬至纖維內(nèi)部，但是如果后續(xù)的除膠量過大，纖維上余留的膠液量偏低，仍然會降低纖維與樹脂界面結(jié)合的緊密性，形成內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致浸膠紗承載過程中的載荷傳遞的不均勻，引發(fā)浸膠紗的提前斷裂。當(dāng)樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)40%～60%的范圍區(qū)間時，拉伸強度不再發(fā)生明顯變化，拉伸強度試驗結(jié)果的離散性明顯降低（Cv值小于3%），試驗結(jié)果的穩(wěn)定性較高，較為準(zhǔn)確地反映出碳纖維紗線的拉伸強度正常值。而當(dāng)樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至60%～70%以上時，拉伸強度的試驗結(jié)果略微降低，Cv值增大。這主要是由于樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高時，樹脂極易在纖維的毛羽、毛刺等表面缺陷處聚集形成凸起顆粒狀物，導(dǎo)致試驗過程的應(yīng)力集中，引發(fā)浸膠紗的提前破壞，即使很多情況下，該樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間的試驗結(jié)果可以達(dá)到指標(biāo)值，但是與40%～60%區(qū)間的結(jié)果相比，并未準(zhǔn)確反映出碳纖維紗線的真實值。因此推薦采用的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在40%～60%。

表4 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

圖4 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

2.5 試樣固化形態(tài)對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

試驗選擇T800-12K碳纖維紗線，分別制備截面呈類圓型和寬扁型的浸膠紗試樣，規(guī)定如圖5 所示的試樣截面，當(dāng)長軸/短軸即A/B＜1.5 時，為類圓型試樣；當(dāng)A/B＞2 時，為寬扁型試樣，試驗結(jié)果見表5。從表中可以看出，截面呈類圓型或?qū)挶庑偷慕z紗試樣，拉伸強度無明顯差異，寬扁型試樣的拉伸強度Cv值略高于類圓型試樣，但是兩類試樣的強度與強度穩(wěn)定性均符合要求，這表明浸漬充分、均勻，且固化后的試樣沒有明顯表面缺陷（如樹脂膠滴、毛羽、散絲等）的試樣，無論截面形狀為類圓型亦或是寬扁型，均能獲取準(zhǔn)確的結(jié)果。

表5 試樣固化形態(tài)對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

圖5 浸膠紗試樣截面示意圖

3 優(yōu)化工藝參數(shù)穩(wěn)定性試驗

3.1 浸膠紗制備工藝參數(shù)優(yōu)化的穩(wěn)定性試驗設(shè)計

結(jié)合上述參數(shù)的研究結(jié)論，采用纏繞張力值為纖維斷裂強力的1.0%、樹脂黏度為（600±30）mPa·s、纏繞速度為1 r/min、樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（40±1）%的優(yōu)化制樣參數(shù)，對T800-12K和T300-48K 2 種型號的碳纖維紗線開展重復(fù)性試驗，分別從2 種型號紗的1 批次樣品中隨機各抽取10 卷紗，每卷紗制備2組試樣，每組試樣取6 個有效測試結(jié)果的平均值作為該卷紗的單次測試結(jié)果，采用單因子方差分析法對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計處理，進(jìn)而對優(yōu)化的工藝參數(shù)穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

3.2 試驗結(jié)果與統(tǒng)計分析

T800-12K和T300-48K 2 種型號的碳纖維浸膠紗重復(fù)測試結(jié)果如表6 所示。

表6 2種型號碳纖維浸膠紗工藝參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果

T800-12K和T300-48K碳纖維浸膠紗的單因子方差分析結(jié)果見表7。

表7 方差分析結(jié)果

查表可知F0.05（9，10）=3.02，T800-12K碳纖維浸膠紗計算的F值為2.97、T300-48K碳纖維浸膠紗計算的F值為2.88，兩個值均小于F0.05（9，10），這表明在0.05 顯著水平時，兩種型號碳纖維浸膠紗試樣的測試結(jié)果是均勻穩(wěn)定的，通過對比2.1～2.4 單影響因子的研究結(jié)果可知，采用優(yōu)化后的制樣工藝參數(shù)進(jìn)行浸膠紗試樣制備是穩(wěn)定可靠的。

4 結(jié)論

碳纖維浸膠紗拉伸強度與制樣過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)有密切關(guān)聯(lián)。

（1）不同線密度的紗線應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)定適宜的纏繞張力值，張力值應(yīng)設(shè)定為纖維斷裂強力的0.5%～1.0%為宜。

（2）樹脂黏度控制在200～800 mPa·s以內(nèi)為宜，可通過樹脂的溫度—黏度曲線，獲取其黏度對應(yīng)的最佳使用時間區(qū)間，實際制樣過程中通過時間區(qū)間判斷樹脂黏度是否合適，是較為簡便的方式。

（3）盡管提高纏繞速度能有效提升制樣效率，但是過快的速度也會降低樹脂對纖維的浸漬效果，在制樣中應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行有效平衡，確保試樣質(zhì)量的同時達(dá)到最佳制樣效率。

（4）在樹脂黏度適宜的前提下，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)是衡量樹脂浸漬纖維是否均勻、充分的常規(guī)指標(biāo)之一，推薦范圍應(yīng)在40%～60%。

（5）在樹脂浸漬充分且固化后的試樣沒有明顯表面缺陷的情況下，浸膠紗試樣固化后的截面形狀，無論是類圓型亦或是寬扁型，均對浸膠紗拉伸強度試驗結(jié)果無明顯影響。

（6）采用纏繞張力值為纖維斷裂強力的1.0%、樹脂黏度為（600±30）mPa·s、纏繞速度為1r/min、樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（40±1）%的優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行浸膠紗制樣，獲得了穩(wěn)定均勻的測試結(jié)果。