碳纖維 — 玻璃纖維拉擠板纖維質量分數和體積分數測試方法探究

劉連學，管鋅樑，夏國良

（浙江恒石纖維基業有限公司，桐鄉 314500）

0 前言

隨著復合材料行業的發展，輕量化的穩健設計已成為先進纖維增強樹脂基復合材料應用技術的研發重點［1］。基于這一理念就產生了纖維混雜復合材料，即由兩種或兩種以上纖維作為增強體的復合材料，每種材料在性能上能夠取長補短，類似的復合材料同時具有了多種纖維的特點［2］。玻璃纖維-碳纖維混雜復合材料成為新興的強韌性結構材料，目前應用在風電葉片、橋梁加固、壓縮天然氣瓶（航天航空）及固體火箭發動機殼體等宇航結構件，使產品實現了高模量、高韌性、低造價、低質量的優點［3］。碳纖維-玻璃纖維拉擠板（簡稱“碳玻拉擠板”）是一種由玻璃纖維、碳纖維和樹脂采用拉擠工藝制作而成的三元復合材料。對于玻璃纖維拉擠板可采用ISO1172：1997《紡織玻璃纖維增強塑料，預浸料，模塑料和層壓塑料 紡織玻璃纖維和礦物質填料含量的測定》［4］中的煅燒法來測定其中纖維的體積分數和質量分數，但是由于碳纖維是可燃燒材料，在碳玻拉擠板中不適用。而對于碳纖維拉擠板可使用GB/T3385-2005《碳纖維增強塑料樹脂含量測定方法》［5］（消解法）來測定其中的碳纖維體積分數和質量分數。由于碳纖和玻纖的物理差異很大，單一使用任何一種方法難以測出3種成分各自的體積分數和質量分數，所以目前一般采用燒失法與消解法（強硫酸洗）相結合的方法來測定［3］。這種方法需要使用強硫酸，存在危險。所以需要一種更加安全、方便的測試方法?，F采用煅燒法、密度測量和復合材料混合定律三者相結合的方法來測量碳玻拉擠板的各組分體積分數和質量分數。材料混合定律是建立在混合過之后材料不存在孔隙的基礎上的，但復合材料在制造過程中都會產生一定的孔隙，所以需要用孔隙率做修正使結果更準確。密度測量和孔隙率測定是復合材料必做的基礎測試，采用這種方法可以在不增加工作的前提下避免使用濃硫酸可能帶來的危險，安全性更好。

1 實驗原料和儀器

1.1 原料

碳玻拉擠板：振石集團華美新材料有限公司。

1.2 儀器設備

電子天平：AL204型，梅特勒.托利多；

電熱鼓風干燥箱：S.C.101-1型，上海路達試驗儀器有限公司；

箱式電阻爐：SX2-4-10N型，上海一恒科學儀器有限公司；

固體密度儀：GH-128E型，日本島津；

探針式溫度計：TP101型，TP；

顯微鏡：BX53MTRF-S型，VLYMPUS。

2 實驗原理和方法

碳玻拉擠板是由碳纖維、玻璃纖維和樹脂基經拉擠工藝制作而成，在成材的過程中具有一定的缺陷，即空隙的存在。本方法首先測試材料的孔隙率，這是一項后面所有計算都需要用到的修正因子。然后測試碳玻拉擠板試樣的密度，并使用煅燒法測定玻璃纖維的質量分數。通過玻璃纖維的密度和密度測試時得到的碳玻拉擠板試樣的體積，可計算得到玻璃纖維的體積分數。碳玻拉擠板3種成分的理想（沒有孔隙存在）體積分數之和為1。由復合材料混合定律可知，理想復合材料密度等于復合材料各組分的密度乘以各組分體積分數之和。聯立方程組，便可求得碳纖維和樹脂各自的纖維體積分數，通過計算也就可以得到3種成分各自的質量分數。

3 實驗過程

3.1 顯微鏡法測定拉擠板孔隙率

復合材料具有一定的孔隙率，并且這些孔隙率都來自使用的樹脂，在后面的計算需要用到孔隙率修正。依據標準GB/T3365-2008《碳纖維增強塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗方法》使用顯微鏡測定拉擠板的孔隙率［6］，測試多個取平均值，作為拉擠板的整體孔隙率?？紫堵士捎晒剑?）計算。

式中：

a ——碳玻拉擠板孔隙率，%；

V1——碳玻拉擠板中孔隙的體積，cm3；

V——碳玻拉擠板的體積，cm3。

3.2 拉擠板體積及密度的測定

取9塊25 mm×25 mm的碳玻拉擠板，并進行編號。根據ISO1183-1：2019《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分 浸漬法、比重瓶法和滴定法》［7］中的浸漬法測定樣品密度。拉擠板的堆積體積可按照公式（4）計算。

式中：

F浮——碳玻拉擠板所受的浮力，N；

V——碳玻拉擠板體積，cm3；

ρ液——浸漬液的密度，g/cm3；

m1——碳玻拉擠板在空氣中的質量，g；

m2——碳玻拉擠板在浸漬液中的質量，g；

g——重力加速度，N/s2。

由于碳玻拉擠板中含有一定的孔隙，故其結果需要按孔隙率進行修正。

拉擠板的密度可按照公式（5）計算。

式中：

m1——碳玻拉擠板在空氣中的質量，g；

V——碳玻拉擠板體積，cm3；

ρ——碳玻拉擠板的密度，g/cm3。

同理，由于碳玻拉擠板中含有一定的孔隙，故其結果需要按孔隙率進行修正。

3.3 煅燒法測定

將測試完密度的樣塊，根據ISO1172：1997《紡織玻璃纖維增強塑料，預浸料，模塑料和層壓塑料 紡織玻璃纖維和礦物質填料含量的測定》［4］中的煅燒法測定碳玻拉擠板中玻璃纖維的質量分數。具體可按照公式（6）計算：

式中：

FWFG——碳玻拉擠板中玻璃纖維的質量分數，%；

m3——坩堝質量，g；

m4——坩堝加碳玻拉擠板的質量，g；

m5——煅燒后坩堝加碳玻拉擠板的質量，g。

玻纖的體積分數可按公式（7）進行計算：

式中：

FVFG——碳玻拉擠板中玻璃纖維的體積分數，%；

ρG——玻璃纖維的密度，g/cm3。

3.4 碳玻拉擠板中碳纖維和樹脂體積分數的計算

根據復合材料混合定律，復合材料的密度等于等組分體積分數與密度之積的和［8］。

在本次實驗樣品為三元復合材料碳玻拉擠板可將上式變形為公式（8），其中已由煅燒法測試得出，各成分密度可由生產廠家給出。3種成分的體積分數相加等于100%，由于孔隙率的存在，三者實際相加應小于100%，如公式（9）。聯立公式（8）和公式（9），計算得出碳纖維體積分數和樹脂體積分數。

式中：

FVFC——碳玻拉擠板中碳纖維的體積分數，%；

FVFR——碳玻拉擠板中樹脂的體積分數，%；

ρ0——碳玻拉擠板修正后的密度，g/cm3；

ρC——碳纖維的密度，g/cm3；

ρR——樹脂固化后的密度，g/cm3。

碳纖維的質量分數可按公式（10）計算：

式中：

FVFC——碳玻拉擠板中碳纖維的質量分數，%。

同理，樹脂的質量分數可按公式（11）計算：

式中：

FVFR——碳玻拉擠板中碳纖維的質量分數，%。

4 實驗結果與討論

（1）為了驗證煅燒法、密度測試和孔隙率測試相結合測試碳玻拉擠板纖維質量分數和體積分數的可行性。本實驗首先采用6塊20 mm×20 mm×5 mm的碳玻拉擠板按GB/T3365-2008方法測試碳玻拉擠板孔隙率，以平均值作為碳玻拉擠板的整體孔隙率，結果如表1、圖1所示。

表1 碳玻拉擠板的孔隙率

圖1 孔隙率測試

（2）在同一試樣上另取9塊25 mm×25 mm× 5 mm的拉擠板，按ISO1183-1：2019的浸漬法測定試樣的密度，其結果如表2所示。再將測試完密度的試樣依ISO1172：1996的煅燒法，測定拉擠板中玻璃纖維的質量分數和體積分數，結果如表3所示。

表2 碳玻拉擠板的密度

表3 碳玻拉擠板中玻璃纖維的質量分數和體積分數

（3）由以上試驗結果，根據公式聯立方程組即可計算得出碳玻拉擠板中碳纖維和樹脂3個組成成分各自的質量分數和體積分數。實驗最終結果如表4所示。

表4 碳玻拉擠板中碳纖維和樹脂的質量分數和體積分數

（4）由表3和表4可見，通過這種方法測定的碳玻拉擠板的纖維質量分數和體積分數結果穩定，具有可重復性。

（5）將計算得到的碳玻拉擠板中的玻璃纖維質量分數、碳纖維質量分數和樹脂質量分數分別取平均值，與理論值對比結果如表5所示。

表5 碳玻拉擠板3種成分質量分數與理論值對比表

（6）由表5可見，測試值與理論值相對誤差很小。這說明采用煅燒法與密度測試、混合定律相結合，以孔隙率作修正，求得碳玻拉擠板纖維質量分數和體積分數的方法是可行的。

5 結論

（1）經試驗驗證，采用煅燒法與密度測試、混合定律相結合，以孔隙率作修正，求得碳玻拉擠板纖維含量的方法是可行的。

（2）本方法建立在ISO1183-1:2019、ISO1172:1996和混合定律的基礎上聯立方程綜合分析，并用 GB/T3365-2008方法測得的結果進行修正。經試驗驗證，在試驗原理上是可行的，但是當碳纖維密度與樹脂密度相等時本方法不適用。