取向非連續碳纖維復合材料制備與性能

鄧 華 ， 高軍鵬， 包建文

(1.先進復合材料重點實驗室，北京 100095； 2.中航復合材料有限責任公司，北京 101300； 3.中航工業復合材料技術中心，北京 101300)

取向非連續碳纖維復合材料由固定長度或一定長度分布的且沒有經過加捻的短碳纖維與熱固性或熱塑性樹脂復合制備得到，纖維沿某一方向不連續但是呈高度取向狀態。取向非連續碳纖維增強復合材料主要具有如下優點：對于多曲率復雜制件，非連續碳纖維相比連續碳纖維容易變形，在鋪覆織物或預浸料過程中不會出現連續碳纖維增強復合材料中的表面褶皺，并且鋪覆更容易，對模具的適形性好，節省鋪覆工藝中的人力成本，提高成品率；纖維呈高度取向狀態，與連續碳纖維復合材料相比具有相近的力學性能，且遠遠優于無序短切碳纖維增強復合材料。取向非連續碳纖維復合材料在飛行器安全系數高或次承力且外形為多曲率的復合材料結構上具有較大的應用優勢。

20世紀80年代，杜邦公司創造性地采用取向非連續碳纖維增強熱塑性樹脂，并對取向非連續碳纖維絲束及其預浸料制備工藝和復合材料性能進行了深入地研究[1-4]，研制了非連續AS4碳纖維增強PEKK復合材料(纖維平均長度5.6cm，纖維體積分數58%)，并研究了非連續纖維類型和纖維平均長度對復合材料力學性能的影響。美國赫氏公司開展了牽斷碳纖維技術研究，得到取向非連續碳纖維絲束及織物并制備了復合材料[5-8]，基于傳統牽切機器Seydel Model 682研究了第一代牽斷碳纖維，平均牽斷長度為10 cm，隨著改進型纖維牽斷機SB2的出現，AS4纖維平均牽斷長度降低到7cm，IM7纖維平均牽斷長度降低到5 cm，而且分布更加集中，進一步改善了預浸料的變形能力。與杜邦LDF熱塑性預浸料相比，由牽斷碳纖維制備得到的熱固性樹脂預浸料由于樹脂的黏度和固化特性使其具有更廣泛的應用。

賓夕法尼亞大學應用研究實驗室復合材料分部[9]采用赫氏公司的牽斷碳纖維預浸料制備了含有11個珠狀凸起的加強復合材料面板，這種面板可應用于肋、艙壁等結構中，提供更高的結構效率和更好的抗沖擊性。英國Albany Engineered Composites公司[10]采用赫氏公司的牽斷碳纖維制備了三維編織工藝帽型結構，在45°的模具上，連續纖維出現架橋現象，而非連續纖維由于其良好的可變形性，與模具很好地貼合。法國Pepin Associates公司[11]的研究人員將連續纖維絲束切成不連續、等長度的片段，然后用水溶性的長纖維編織在一起，然后再制備成簾子布或織物，水洗除去水溶性纖維，干燥后即為取向非連續纖維簾子布或織物，即Disco TexTM織物。Pepin Associates公司[12]同時將Disco TexTM織物應用于復合材料修補。由于Disco TexTM織物采用等長的纖維制備得到，排除了偶然因素，其具有性能穩定的特點，且力學及工藝性能易于調節。

目前，國內對取向非連續碳纖維復合材料研究很少，基本沒有技術積累，尤其缺少牽切碳纖維相關核心技術。本研究將傳統的連續纖維預浸料通過自動有序切割的方法制備取向非連續碳纖維預浸料，并采用熱壓罐固化方法制備取向非連續碳纖維復合材料。可用于預浸料自動切割的方法有機械切割法、激光法和水切割法，對熱固性樹脂預浸料而言，激光切割產生的高能量可使切口附近的樹脂發生固化反應，在制備復合材料的過程中因內部樹脂體系的不同步固化會導致缺陷產生，從而影響復合材料的性能。水切割會使引入水分子進入預浸料吸濕而導致復合材料力學性能下降，以上兩種方法均不適合用于裁切熱固性樹脂預浸料。因此，本研究選擇機械切割法，裁切預浸料使用的切刀為高頻震蕩刀，裁切過程中產生的熱量小，耗散快，對樹脂基體基本無影響，不降低預浸料的性能，同時自動裁剪系統具有較高的精度，保證了預浸料裁切后的纖維長度和分布的準確性。本工作研究固化后取向非連續碳纖維復合材料的內部質量，測定取向非連續碳纖維復合材料層板的孔隙含量并觀察截面形態。測試取向非連續碳纖維復合材料的力學性能并與連續碳纖維復合材料和隨機取向短切碳纖維的性能進行對比研究。

1 實驗材料及方法

1.1 原材料

CCF300/5228A碳纖維預浸料由中航復合材料有限責任公司生產，纖維體積分數58%，單層厚度0.125 mm。其中，CCF300碳纖維為威海拓展纖維有限公司生產，5228A為中航復合材料有限責任公司生產的高溫固化高韌性環氧樹脂。

1.2 取向非連續碳纖維預浸料的制備

采用單層自動裁床對CCF300/5228A連續碳纖維預浸料按一定分布規律進行裁切，得到了取向非連續碳纖維預浸料，如圖1所示。裁切寬度為10 mm，設計了P1，P2和P3三種纖維長度及分布方式。方式P1的纖維長度為50 mm，方式P2的纖維長度為100 mm，方式P3的纖維長度為50 mm與100 mm兩種，且混雜排列，各占50%，如圖2所示。圖中的數字代表裁切間距和寬度。

圖1 取向非連續碳纖維預浸料Fig.1 Aligned discontinuous carbon fiber prepreg

圖2 纖維長度及分布方式Fig.2 Length and distribution of carbon fibers (a)P1；(b)P2；(c)P3

1.3 取向非連續碳纖維復合材料的制備

采用上述裁切得到的P1，P2和P3三種樣式預浸料為原材料制備取向非連續碳纖維復合材料，本研究設計了三種復合材料鋪層方式，鋪層角度均為0°，具體為[P1]16，[P2/P1]4s和[P3]16，層合板分別定義為L1，L2和L3。L1的纖維長度為50 mm；L2的纖維長度為50 mm和100 mm沿鋪層順序交替出現，各占50%；L3的纖維長度為50 mm和100 mm在面內同時出現；L2與L3的纖維平均長度為75 mm。為保證取向非連續碳纖維復合材料層板內部性能的均勻性，預浸料在鋪放時相鄰輔層的纖維斷口盡可能錯開分布。復合材料板的標稱厚度2 mm，固化工藝為：熱壓罐工藝，從室溫以1.5～2.0 ℃/min的速率升溫，60 ℃時開始加壓，壓力為0.6 MPa，升溫至180 ℃，保溫120 min。保溫結束后，隨爐冷至室溫。固化后得到的層板經無損檢測合格后按相應測試標準進行裁切，得到力學性能測試試樣，裁切位置在保證纖維方向的基礎上隨機選取。

1.4 測試與表征

依據GJB 1038.1A—2004，采用水浸式脈沖反射板法對取向非連續碳纖維復合材料板進行超聲C掃描無損檢測，試驗件尺寸均為350 mm×300 mm；依據GB/T 3365—2008，采用圖像分析儀法測定取向非連續碳纖維復合材料的孔隙含量，并對橫截面進行觀察，重點觀察纖維切斷區域的纖維及樹脂分布情況。

分別依據ASTM D3039—2000，ASTM D790—2003和ASTM D2344—2000，利用5982材料試驗機測試取向非連續碳纖維復合材料的0°拉伸、0°彎曲和層間剪切性能。

2 結果與分析

2.1 取向非連續碳纖維復合材料的內部質量

復合材料的性能與其內部質量有著密切的關系，孔隙和分層越多，復合材料抗疲勞能力越低，對水的滲透和大氣的作用越敏感，嚴重影響復合材料的性能和使用壽命。本研究制備的取向非連續預浸料在制備過程中對纖維進行有分布規律的切斷，切割縫在預浸料輔貼和固化后可能形成孔隙和分層缺陷，因此，需要對取向非連續復合材料的內部質量進行評價研究。針對三種不同鋪層形式的取向非連續碳纖維復合材料層板進行了超聲C掃描檢測，檢測結果如圖3所示。圖3表明取向非連續碳纖維復合材料各層板的底面回波幅度高，均大于60%，說明材料衰減程度小，所制備的層板均具有良好的內部質量。

測定了三種鋪層形式取向非連續碳纖維復合材料層板的孔隙含量，結果如表1。從表1中可以明顯看到材料的孔隙含量均在1.5%以下。以L2為研究對象，分別觀察了沿纖維方向(見圖4(a)～(c))和垂直纖維方向(見圖4(d))的截面形態，從圖中可以明顯看到纖維與樹脂結合良好，纖維斷裂處樹脂填充完全，未見到有明顯孔隙和分層，與超聲C掃描的結果一致。以上結果表明，在制備取向非連續預浸料的過程中，纖維被切割的部位未形成結構缺陷，證明采用此種方法制備取向非連續預浸料是有效可行的。

圖3 取向非連續碳纖維復合材料層板的超聲C掃描檢測圖Fig.3 Ultrasonic C-scan images of aligned discontinuous carbon fiber composites (a)L1;(b)L2;(c)L3

表1 取向非連續碳纖維復合材料的孔隙含量

2.2 力學性能

復合材料中纖維主要起承載作用，樹脂主要起保護纖維和傳遞載荷作用，其力學性能主要由纖維的性能決定。連續纖維增強復合材料的纖維受拉伸時載荷通過樹脂剪切力的作用傳遞給臨近的纖維從而提高材料的性能，取向非連續碳纖維復合材料由于纖維是不連續的，一定程度上會降低復合材料的力學性能，尤其是由纖維控制的性能。與連續纖維復合材料相似，取向非連續碳纖維復合材料中纖維呈高度取向狀態，纖維在受到拉伸載荷時在纖維斷裂處將載荷通過臨近纖維傳遞給同一根纖維，類似于連續纖維復合材料在拉伸斷裂前纖維逐漸破壞斷裂時的情況，如圖5所示。纖維在取向方向上載荷傳遞效率較高，因此，材料能在纖維的取向方向保持較好的力學性能。

重點研究的取向非連續碳纖維復合材料受纖維控制的力學性能包括0°拉伸和0°彎曲，以及層間剪切性能。與相同材料體系同一批次的連續碳纖維復合材料的性能進行了對比，結果如圖6、圖7和圖8所示，誤差線表示性能數據的標準差。與傳統連續纖維增強復合材料相比，取向非連續復合材料的0°抗拉強度保持率在63%以上，均大于1000 MPa，模量基本不下降，0°彎曲強度保持率在85%以上，模量保持率在78%以上，表明取向非連續復合材料的纖維力學傳遞效率較高，力學性能保持較好。纖維平均長度為50 mm和纖維平均長度為75 mm(兩種不同的分布方式)的三種纖維增強體形式復合材料的力學性能處于同一水平上，表明采用本方法制備的取向非連續碳纖維復合材料當纖維平均長度為50～75 mm時，力學性能基本處于同一水平上。同時纖維的斷裂并沒有影響復合材料的層間剪切強度，表明復合材料的層間界面結合良好。

圖4 取向非連續復合材料的截面形貌 (a),(b),(c)平行于纖維方向；(d)垂直于纖維方向Fig.4 Cross-sectional morphologies of aligned discontinuous carbon fiber composites (a),(b),(c)parallel to the fiber orientation;(d)vertical to the fiber orientation

圖5 復合材料內部纖維間的力學載荷傳遞過程 (a)連續纖維復合材料；(b)取向非連續纖維復合材料Fig.5 Load transfer between fibers in composites (a)continuous carbon fiber composites； (b)aligned discontinuous carbon fiber composites

圖6 取向非連續碳纖維復合材料的0°拉伸性能 (a)抗拉強度；(b)拉伸模量Fig.6 Tensile properties of aligned discontinuous carbon fiber composites (a)tensile strength;(b)tensile modulus

圖7 取向非連續碳纖維復合材料的0°彎曲性能 (a)彎曲強度；(b)彎曲模量Fig.7 Flexural properties of aligned discontinuous carbon fiber composites (a)flexural strength;(b)flexural modulus

圖8 取向非連續碳纖維復合材料的層間剪切性能Fig.8 Interlaminar shear strength of aligned discontinuous carbon fiber composites

表2列舉了波音公司短切碳纖維復合材料的性能[13]，材料體系為T700/2510，纖維質量分數為64%，纖維長度分別為12.7 mm，25.4 mm，50.8 mm，76.2 mm，拉伸測試標準為ASTM D3039，彎曲測試標準為ASTM D790，每項測試試樣數量為7。相比之下，本工作制備的取向非連續碳纖維復合材料的單向力學性能遠遠高于隨機取向短切碳纖維復合材料，性能穩定性較高。由于短切碳纖維增強復合材料的纖維取向是無序的，力學加載時纖維與受力方向一致性低，力學載荷沿受力方向傳遞效率較低，導致材料力學性能較低。隨機取向短切碳纖維增強復合材料可近似為各向同性材料，與取向非連續碳纖維復合材料相比力學性能可設計性較差。從預浸料的可變形性、復合材料力學性能、力學可設計性綜合考慮，連續纖維復合材料可應用于對力學性能要求很高的主承力制件，取向非連續纖維復合材料可應用于對力學性能要求較高的次承力多曲率復雜制件，隨機取向短切纖維復合材料可應用于力學性能要求不高的多曲率復雜制件。

表2 短切碳纖維增強復合材料的力學性能[13-14]Table 2 Mechanical properties of random oriented short carbon fiber composites[13-14]

3 結論

(1)取向非連續碳纖維復合材料內部質量高，孔隙含量低，纖維切斷處樹脂填充良好。

(2)與連續碳纖維復合材料相比，取向非連續碳纖維復合材料的力學性能保持率較高，取向非連續復合材料的0°抗拉強度保持率在63%以上，模量基本不下降，0°彎曲強度保持率在85%以上，模量保持率在78%以上，單向性能遠遠大于隨機取向碳纖維復合材料的性能。

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