碳纖維復絲拉伸樣條斷面形貌分析

孫興祥 孔令強 譚波 夏建明 陳文書 孫春根

(浙江精功碳纖維有限公司，浙江 紹興 312073)

聚丙烯腈基碳纖維是一種人造合成纖維，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐化學腐蝕、耐疲勞、耐熱、密度小等一系列優異性能，屬于典型的高性能纖維。而碳纖維的力學性能指標是評判碳纖維產品規格和等級的主要依據，從高強型碳纖維到高強高模型碳纖維，各種型號的碳纖維產品無一不是通過纖維力學性能來劃分的。碳纖維的力學性能表征分為單絲拉伸和復絲拉伸，楊延風等[1]對單絲拉伸和復絲拉伸進行了詳細對比，但單絲拉伸中的各項輸入參數均為計算獲得，且其測試結果對后期應用的直接指導意義存在爭議。因此，碳纖維的復絲拉伸是目前領域內廣泛采用的表征方法。

碳纖維的復絲拉伸方法在國標GBT 3362—2017進行了詳細規范，吳怡凡、張為琴等[2]對復絲制樣過程中的樹脂體系、固化條件及固化度對性能的影響進行了研究，認為復絲制樣過程中宜采用低固化溫度和長固化時間。梁燕、邱星翔等[3]通過對復絲制樣過程中樹脂體系、浸膠方法、固化工藝及加強片等方面的影響進行了研究。此外，制樣環境對碳纖維復絲拉伸影響也被證明[4]。在對復絲拉伸的各類研究中，主要是對各種影響因素與拉伸性能的關系進行研究，而從復絲樣條實際狀態及斷裂形貌方面的研究很少。尤麗虹等[5]人在復絲樣條制備技術中提到了不同浸漬膠液配方對界面形貌的影響，但在實際生產過程中，為了數據的代表性，浸漬膠配方必須固定，且復絲樣條的界面形貌反映不僅是制樣問題，與碳纖維本身也存在很大關系。

1 實驗部分

1.1 原料

浙江精功碳纖維有限公司自產24K T300級碳纖維絲。

復絲拉伸樣條制樣方法按照GBT 3362—2017執行。

1.2 實驗設備

1.2.1 復絲拉伸設備

英國INSTRON3866，拉伸速度：20 mm/min。

1.2.2 掃描電子顯微鏡

采用日立S-4700型掃描電子顯微鏡，測試條件：加速電壓20 kV。

制樣方法：在正常拉伸斷裂的樣條中隨機選取肉眼觀測相對齊整的樣條，使斷口豎直向上固定于樣品臺上，最后進行噴金待測。

2 結果與討論

2.1 碳纖維復絲拉伸樣條斷面形貌

與單絲拉伸相比，復絲拉伸的理想斷裂狀態為絲束中所有單絲同時受力在樣條薄弱處發生斷裂，但是在實際制樣和拉伸過程中，并不能達到理想的斷裂，因此拉伸強度存在一定的波動范圍，圖1是復絲拉伸樣條典型的斷面形貌。

圖1 復絲拉伸樣條斷面形貌

從圖1中可以看出，隨機選擇的復絲拉伸樣條斷面并不齊整。根據不同形貌特征，可以將斷面分成3類區域，1#區為纖維拔出區，2#區為孔洞，3#區為正常斷裂區。拉伸過程中，顯然3#區所占比例對于拉伸強度有直接影響。

從圖2可以看到，復絲拉伸樣條斷面1#區域纖維拔出區域纖維雖然發生斷裂，但斷面參差不齊，最大特征是：纖維從樹脂中拔出，說明此區域纖維與樹脂的界面結合力小于復合斷裂力值。

圖2 復絲拉伸樣條斷面纖維拔出特征

圖3 復絲拉伸樣條斷面孔洞特征

圖3中復絲拉伸樣條斷面2#區域為較為明顯的孔洞，孔洞內部較為光滑，孔洞的存在對于整個拉伸樣條來說相當于對纖維進行了隔離，嚴重影響了纖維在樣條中的均勻分布，在拉伸受力過程中容易發生劈裂而造成樣條非正常斷裂。

圖4為復絲拉伸樣條斷面3#正常斷裂區域，可以看出，在此區域斷面較為齊整，無纖維拔出現象。說明此區域在拉伸達到最大載荷時同時斷裂，此區域纖維完全發揮了其自身性能，直接影響了最終拉伸強度結果。

圖4 復絲拉伸樣條斷面正常斷裂特征

2.2 碳纖維復絲拉伸樣條斷面形貌原因分析

從圖1中可以看出，復絲拉伸樣條斷面中3#正常斷裂區域占整個斷面面積的60%～80%，說明碳纖維所用上漿劑與制樣樹脂之間相容性較好，如果碳纖維所用上漿劑與制樣樹脂匹配性較差，樣條斷面將出現纖維整體與樹脂界面脫粘的情況。結合碳纖維生產過程及復絲樣條制樣過程，對斷面孔洞及纖維拔出的原因進行分析。

2.2.1 碳纖維復絲拉伸樣條斷面孔洞產生原因

從圖3孔洞內部光滑程度判斷，孔洞的形成主要是由氣泡造成的，且氣泡尺寸較大，呈長條狀，固化后在樣條內部性能柱狀的孔洞區。

(1)氣泡的形成主要是由于纖維絲束在浸膠過程中未被完全浸潤，這種情況在帶張力浸膠時較為普遍，且膠液濃度和黏度相對稍高，絲束內部氣泡被裹挾其中無法自行排出。

(2)纖維浸膠后需要30～40 min的晾膠工序，讓溶劑自由揮發，如果直接將樣條放入烘箱進行固化，溶劑急速揮發，也容易形成較大氣泡。

2.2.2 碳纖維復絲拉伸樣條斷面纖維拔出產生原因

纖維的拔出現象是纖維與樹脂界面的破壞，分析其可能原因如下。

(1)纖維在表面處理和上漿劑過程中，表面處理和上漿效果存在一定的均一性問題，單絲之間的處理差異，在復絲樣條制樣過程中就體現出了界面效果的差異。

(2)在制樣過程中，同一束纖維中單絲間張力不均，拉伸過程是一個力的傳遞過程，而較為松弛的單絲在絲束斷裂時并未經歷力的傳遞，而是受到瞬間拉力，并未發揮出纖維與樹脂復合的性能，導致纖維直接拔出。

2.3 碳纖維復絲拉伸樣條制樣優化措施

圖5為制樣優化后復絲拉伸樣條斷面形貌。可以看出，孔洞問題已經解決，正常斷裂區域面積約達到90%，但還存在一定程度的纖維拔出區域。

圖5 優化后復絲拉伸樣條斷面形貌

下表為不同復絲樣條優化前后拉伸強度對比。從中可以看出，制樣優化前后纖維拉伸強度都有了不同程度的改善，說明樣條中孔洞的存在對于碳纖維真實拉伸性能存在較大影響。

樣條優化前后拉伸強度對比

針對碳纖維復絲拉伸樣條斷面問題，認為可以采取以下措施予以改進。

(1) 在復絲拉伸樣條取樣和制樣過程確保絲束中單絲的平行，盡量避免絲束中出現“松緊絲”，浸膠后施加一定的恒張力，在晾膠階段用玻璃棒輕輕敲擊樣條，震除多余膠滴的同時，對于纖維絲束內部氣泡的脫除也有一定作用。

(2) 在碳纖維生產過程中，盡量增大纖維絲束寬幅，確保纖維絲束在表面處理和上漿過程中單絲間的均一性。

3 結論

(1)碳纖維復絲拉伸按照標準方法制樣同樣存在細節上的問題，對于反映碳纖維真實拉伸性能存在一定影響。

(2)在復絲拉伸樣條斷面SEM照片中可以明顯看到3種區域：纖維拔出區、孔洞、正常斷裂區。

(3)在碳纖維復絲拉伸樣條制樣過程中除了按照標準方法要求的工藝細節外，需要確保樣條的脫泡和張力均勻。

(4)通過對復絲拉伸樣條斷面形貌分析，也在一定程度上反映了碳纖維絲束中單絲間的不均一性，需要在生產中通過提高絲束寬幅予以解決。