國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維及其復(fù)合材料的性能研究

張 芳 殷永霞 夏英偉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

高強型碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強度、性能／功能可設(shè)計、良好的尺寸穩(wěn)定性、良好的耐空間環(huán)境等多種優(yōu)異性能，在我國衛(wèi)星、航天器結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用，是衛(wèi)星各級主次結(jié)構(gòu)和遙感載荷的主要原材料，也是未來航天材料發(fā)展的趨勢［1-4］。

目前，國外以日本東麗公司為代表的多家碳纖維生產(chǎn)廠家研制的高強碳纖維已達(dá)到相當(dāng)高的水平。我國航天航空領(lǐng)域應(yīng)用的大量的高強度碳纖維主要依賴于進(jìn)口，但國外已開始對我國實行高強高模先進(jìn)碳纖維的禁運。為了擺脫關(guān)鍵材料受制于人的局面，近年來國家開始加大國產(chǎn)碳纖維的投入力度，大力支持軍品材料配套項目的自主研制，促進(jìn)國產(chǎn)高強碳纖維研制快速發(fā)展［5-8］。

本文以某重要型號產(chǎn)品高強碳纖維材料國產(chǎn)化為研究背景，以國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維為研究對象，分別研究了CCF700-12K碳纖維的性能、CCF700-12K／F46復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐空間環(huán)境性能以及熱性能，各項性能均滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用要求，為國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂，F(xiàn)46，上海樹脂廠有限公司；高強碳纖維，CCF700-12K，威海拓展纖維有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 CCF700-12K／F46無緯布制備

選用國產(chǎn)高強碳纖維CCF700-12K和環(huán)氧F46分別作為增強材料和樹脂基體，采用常規(guī)的濕法輥筒式排布法，根據(jù)CCF700-12K碳纖維的線密度設(shè)置排布機螺距為3.68 mm，制備面密度為（216±3）g／m2，含膠量為（38±3）%，揮發(fā)份含量≤2%，厚度為0.2 mm的預(yù)浸無緯布。

1.2.2 CCF700-12K／F46單向板制備

將厚度為0.2mm的CCF700-12K／F46無緯布預(yù)浸料裁剪成尺寸為500 mm×500 mm的單向布，參照Q／WB150—2002《碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板制備工藝規(guī)范》，采用手工鋪層（確保纖維角度偏差不超過±1°），真空袋-熱壓罐成型方式制備厚度為2 mm的單向板。脫模后按照力學(xué)性能、熱性能和耐空間環(huán)境性能測試標(biāo)準(zhǔn)加工成測試用的標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.3 性能測試

1.3.1 CCF700-12K碳纖維性能測試

參照《航天器常用非金屬材料復(fù)驗規(guī)定》（Q／W—Q—70—3003—2012），對國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維的外觀質(zhì)量、線密度、拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率等性能進(jìn)行測試。

1.3.2 CCF700-12K／F46復(fù)合材料單向板性能測試

1.3.2.1 單向板力學(xué)性能測試

國產(chǎn)CCF700-12K／F46復(fù)合材料單向板0°拉伸強度、模量和泊松比按照《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》（GB／T3354—2014）測試；彎曲強度、彎曲模量按照《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗方法》（GB3356—2014）測試；層間剪切強度按照《纖維增強塑料 短梁法測定層間剪切強度》JC／T773—2010測試。

1.3.2.2 耐帶電粒子輻照測試

國產(chǎn)CCF700-12K／F46復(fù)合材料單向板耐帶電粒子輻照試驗條件為總吸收劑量為2.25×104GY（Si）（按試驗規(guī)范考慮3倍余量）；模擬源為電子加速器、質(zhì)子加速器或γ源（60Co）。試驗完成后，按照上述單向板力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)測試CCF700／環(huán)氧0°單向板輻照前后彎曲強度、彎曲模量和層間剪切強度。

1.3.2.3 真空條件下材料質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物測試

國產(chǎn)CCF700-12K／F46復(fù)合材料單向板真空條件下材料質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物試驗分別參照QJ1558—1988《真空中材料揮發(fā)性能測試方法》和QJ1371—1988《真空中材料可凝揮發(fā)物測試方法》進(jìn)行。真空試驗測試前需對試件進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的條件為在45%的濕度條件下放置3天。測試時，樣品室的溫度為（125±1）℃，搜集板的溫度為（25±1）℃，真空度優(yōu)于7 mPa，測試時間24 h。測試其總質(zhì)量損失（TML）、收集到的可凝揮發(fā)物（CVCM）和水蒸氣回收量（WVR）。

1.3.2.4 熱性能測試

按照GJB 330A—2000《固體材料60-2 773 K比熱容測試方法》測試CCF700-12K／F46復(fù)合材料比熱容，采用美國Solar Spectrum Reflectometer Devices＆Services Co.吸收率測試設(shè)備和AE-RD1發(fā)射率測試儀進(jìn)行吸收率和發(fā)射率測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維性能

表1為國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維性能測試結(jié)果，由此可見國產(chǎn)CCF700碳纖維外觀質(zhì)量良好、纖維束粗細(xì)均勻，纖維束間無粘連，無外來物，無毛絲團，CCF700-12K碳纖維的拉伸強度為4 706 MPa，彈性模量為268 GPa，斷裂伸長率為1.76，線密度為802 g／km，纖維的各項性能均滿足要求。這說明國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維研制生產(chǎn)過程中采用的原絲性能良好，工藝過程控制穩(wěn)定。

2.2 國產(chǎn)CCF700-12K／F46復(fù)合材料單向板性能

表2為國產(chǎn)CCF700-12K／F46和進(jìn)口T700／F46單向板力學(xué)性能測試結(jié)果，由此可見，國產(chǎn)CCF700-12K／F46復(fù)合材料單向板0°拉伸強度、0°拉伸模量、彎曲模量、層間剪切強度均高于進(jìn)口T700／F46復(fù)合材料單向板。試驗采用的基體材料相同均為環(huán)氧F46樹脂，增強材料分別為進(jìn)口高強碳纖維T700和國產(chǎn)CCF700，其力學(xué)性能不同的主要原因為纖維表面使用的上漿劑不同，從而造成樹脂對這兩種纖維的潤濕性不同，國產(chǎn)CCF700碳纖維與環(huán)氧F46的界面結(jié)合力高于進(jìn)口T700碳纖維與環(huán)氧F46的界面結(jié)合力。

2.3 CCF700-12K／F46復(fù)合材料耐帶電粒子輻照試驗結(jié)果

CCF700-12K／F46復(fù)合材料經(jīng)帶電粒子輻照前后力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表3所示，由此可見，經(jīng)帶電粒子輻照后彎曲強度變化-6.19%，彎曲彈性模量變化-6.76%，層間剪切強度變化-5.17%，力學(xué)性能均有所下降。這是由于樹脂基體受真空電子輻照后表面局部化學(xué)鍵斷裂，使復(fù)合材料界面局部脫粘，從而導(dǎo)致界面強度略有降低［9］。

表3 帶電粒子輻射前后CCF700單向板的力學(xué)性能Tab.3 M echanical properties of CCF700 unidirectional plates before and after charged particle irradiation

2.4 真空條件下材料質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物試驗結(jié)果

從表4可以看出CCF700-12K／F46復(fù)合材料總質(zhì)量損失0.21%、可凝揮發(fā)物含量0.001%、水蒸汽回收量0.110%，均滿足指標(biāo)要求。說明CCF700-12K／F46復(fù)合材料在真空條件下有質(zhì)量損失，質(zhì)量損失是復(fù)合材料所吸附的水分及復(fù)合材料制備時殘留的微量有機溶劑在真空環(huán)境下逐漸揮發(fā)所導(dǎo)致的［10］。

表4 CCF700單向板材料真空性能測試數(shù)據(jù)Tab.4 Vacuum performance test data of CCF700 unidirectional p latematerial

2.5 CCF700-12K／F46復(fù)合材料熱性能

CCF700-12K／F46復(fù)合材料的比熱容、發(fā)射率以及吸收率數(shù)據(jù)見表5所示。從表中可以看出CCF700-12K／F46復(fù)合材料的比熱容隨著溫度的升高而升高，CCF700-12K／F46復(fù)合材料的發(fā)射率為0.838，吸收率為0.928。

表5 CCF700-12K／F46復(fù)合材料熱性能測試數(shù)據(jù)Tab.5 Thermal performance test data of CCF700-12K／F46 composite

3 結(jié)論

（1）國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維性能滿足《航天器常用非金屬材料復(fù)驗規(guī)定》（Q／W—Q—70—3003—2012）要求，拉伸強度為4 706 MPa，彈性模量為268 GPa，斷裂伸長率為1.76，線密度為802 g／km。

（2）采用國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維作為增強材料，環(huán)氧F46作為樹脂基體，制備的無緯布鋪層、裁剪、模壓等工藝可行性良好，制備出的單向板平整、厚度均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、無疏松現(xiàn)象，其拉伸強度1 958.8 MPa，拉伸模量144.79 GPa，且其余力學(xué)性能均能夠滿足要求。

（3）國產(chǎn)CCF700-12K碳纖維復(fù)合材料耐空間環(huán)境性能和熱性能良好，能夠滿足型號產(chǎn)品的需求。