VARI工藝制備碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的耐腐蝕性能及斷口形貌分析

摘" " " 要： 研究了用真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）成型工藝制備碳纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性能，并對(duì)采用VARI工藝制備的碳纖維復(fù)合材料制件進(jìn)行了斷口形貌分析。結(jié)果表明：碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是395.93 MPa，彎曲強(qiáng)度是568.44 MPa，模擬海水中浸泡70天后拉伸性能和彎曲性能的保持率仍能保持在80%以上；腐蝕前環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維編織布總體浸潤(rùn)充分，拉拔孔洞少，腐蝕后樹(shù)脂對(duì)纖維包裹性變差，孔洞變多，但仍保持材料的大部分優(yōu)良性能。

關(guān)" 鍵" 詞：碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料；真空輔助樹(shù)脂灌注成型工藝；耐腐蝕性能；斷口形貌

中圖分類號(hào)：TB332" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）06-0808-04

近年來(lái)，各國(guó)對(duì)海洋風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)展越來(lái)越重視，我國(guó)在《第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出：大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模，加快發(fā)展東中部分布式能源，有序發(fā)展海上風(fēng)電[1]。風(fēng)電葉片是風(fēng)能發(fā)電時(shí)需要應(yīng)用的重要設(shè)備，既然要利用風(fēng)力資源發(fā)電，風(fēng)電葉片的開(kāi)發(fā)和研制就是當(dāng)下勢(shì)在必行的主要任務(wù)。現(xiàn)代風(fēng)電葉片主要以纖維和樹(shù)脂為原材料，采用真空輔助樹(shù)脂灌注成型技術(shù)（VARI），通過(guò)分別成型兩片半殼體和剪切腹板，經(jīng)二次粘接組裝后得到完整的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)電葉片[2]。前些年大型風(fēng)電葉片主要是以玻璃纖維為主要的制備原材料[3]，但近些年碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料憑借著輕量化、壽命長(zhǎng)、高模量等特點(diǎn)占據(jù)著風(fēng)電葉片制造行業(yè)不可或缺的地位。本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料研究，采用的是低成本的真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）成型技術(shù)。近幾年，國(guó)內(nèi)外基于碳纖維復(fù)合材料對(duì)風(fēng)電葉片的研制也在不斷進(jìn)步。表1中概括了近幾年碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片研制領(lǐng)域中的發(fā)展情況。

VARI技術(shù)是基于 RTM工藝衍生而來(lái)，該工藝是采用柔性真空袋膜覆蓋于單側(cè)剛性模具上，對(duì)預(yù)成型體進(jìn)行密封，在真空負(fù)壓下將模腔中的氣體排出，使樹(shù)脂流動(dòng)、滲透實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)成型體的浸潤(rùn)，并在烘箱中升溫固化成形[4]。VARI工藝具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，由于真空袋膜替代了金屬上模，有助于降低成本[5]。該技術(shù)主要適用大尺寸、大厚度結(jié)構(gòu)件和殼類部件的制作， 還可以在結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面嵌入加強(qiáng)筋、內(nèi)插件和連接件等[6]。我國(guó)在近年來(lái)也研制出了系列工藝性及耐熱性能優(yōu)良的VARI樹(shù)脂體系，并制定了相關(guān)的材料與工藝規(guī)范，逐步加大在海洋風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用[7]。

本文主要研究基于真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）成型工藝制備碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行模擬海水的耐腐蝕性能研究以及通過(guò)掃描電鏡對(duì)斷口的微觀形貌進(jìn)行分析。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 原材料

實(shí)驗(yàn)材料選用的是深圳市郎搏萬(wàn)先進(jìn)材料有限公司的692-2KA環(huán)氧樹(shù)脂和692-2KB固化劑，以及宜興市恒立航空科技有限公司生產(chǎn)的3K-T300平紋碳纖維編織布，準(zhǔn)備進(jìn)行VARI成型工藝實(shí)驗(yàn)。

1.2" 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用深圳市博遠(yuǎn)機(jī)電設(shè)備有限公司的EVCP425大功率真空泵以及不銹鋼板等制備實(shí)驗(yàn)室樣品；拉伸和彎曲試驗(yàn)采用的是深圳三思縱橫有限公司的 UTM4304微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和承德衡通試驗(yàn)檢測(cè)有限公司的WZY-240萬(wàn)能制樣機(jī)；斷口形貌分析是采用日本日立高新技術(shù)公司生產(chǎn)的S-3400N掃描電鏡進(jìn)行拍攝。

1.3" VARI成型工藝流程

在處理好并涂完脫模劑的不銹鋼鋼板上沿邊貼好邊長(zhǎng)為26 cm的正方形密封膠帶；裁剪好4塊相應(yīng)大小的碳纖維布同向鋪在密封膠帶的內(nèi)部，再依次鋪上合適大小的脫模布及導(dǎo)流網(wǎng)并用膠帶固定好，然后用樹(shù)脂導(dǎo)流硅膠接嘴固定導(dǎo)流管后用柔性真空塑料將整個(gè)模具完全包裹成密封狀態(tài)，再利用導(dǎo)管和真空泵將攪拌均勻的樹(shù)脂及固化劑導(dǎo)入到該真空模具中，觀察排出的樹(shù)脂導(dǎo)管中無(wú)氣泡就將注入樹(shù)脂端的導(dǎo)管加緊，停止注入；最后在用束線帶將導(dǎo)管整理好放置烘箱中55 ℃固化4 h后，室溫脫模，取出制件。

1.4" 模擬海水腐蝕實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的腐蝕方法選用模擬海水浸泡實(shí)驗(yàn)[8]，根據(jù)表2中的藥品配方（3 L水）計(jì)量配置好模擬海水后，將制備好的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料試樣放入溶液，標(biāo)記未浸泡、浸泡3天、5天、7天、" " " " 70天的試樣分別為0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。

1.5" 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》 （GB/T 1447—2005）、 《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》（GB/T1449—2005），采用萬(wàn)能制樣機(jī)制作0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的拉伸、彎曲的試樣并進(jìn)行測(cè)試，拉伸試樣尺寸為250 mm×25 mm" " ×2.5 mm、彎曲的試樣尺寸為80m×15mm×2.5mm。試驗(yàn)速度均為2 mm·min-1。

1.6" 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

對(duì)0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的拉伸、彎曲的拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，通過(guò)斷口形貌的圖片分析腐蝕前后試樣力學(xué)性能的變化。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料腐蝕前后力學(xué)性能

692-2k環(huán)氧樹(shù)脂和制備的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料腐蝕前后的力學(xué)性能對(duì)照表如表3所示。未浸泡模擬海水的試樣拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為 395.93 MPa和568.44 MPa，相比692-2k環(huán)氧樹(shù)脂基體的拉伸與彎曲強(qiáng)度都提高了4.5倍左右。

從表3中拉伸強(qiáng)度保持率和彎曲強(qiáng)度保持率可以看出，海水浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)拉伸和彎曲的力學(xué)性能影響基本相同，在海水腐蝕的前3天甚至前5天，試樣的拉伸及彎曲強(qiáng)度下降較為明顯，強(qiáng)度保持率的下降幅度都比較明顯，但在浸泡5天之后，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的下降差值變小，而在浸泡7天到70天中拉伸強(qiáng)度保持率和彎曲強(qiáng)度保持率僅變化了3.22%和6.34%。由此得出，在碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料腐蝕一段時(shí)間后拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度將趨于一個(gè)穩(wěn)定值，本實(shí)驗(yàn)室所制得試樣在浸泡海水" " 70天后，拉伸和彎曲強(qiáng)度的保持率仍在80%以上，可見(jiàn)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料耐腐蝕性能優(yōu)異，在腐蝕后雖性能下降，但仍能達(dá)到良好的力學(xué)性能要求。

2.2" 復(fù)合材料的掃描電鏡（SEM）分析

2.2.1" 未腐蝕碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷口形貌

未腐蝕碳纖維復(fù)合材料斷口形貌如圖1所示，由圖1可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維編織布中浸潤(rùn)較好。由圖1（a）可以清晰看出，環(huán)氧樹(shù)脂是通過(guò)浸滲到碳纖維布中發(fā)揮傳遞應(yīng)力的作用，并且碳纖維布之間的界面絲束彼此垂直交叉，局部形態(tài)呈現(xiàn)3個(gè)層次，這些現(xiàn)象表明 VARI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了纖維與纖維之間、纖維與樹(shù)脂之間的充分浸潤(rùn)，從而實(shí)現(xiàn)了聚合反應(yīng)。

由圖1（b）中可以看出，部分纖維體中環(huán)氧樹(shù)脂含量較低，雖然碳纖維絲束中有樹(shù)脂基體的分布，但不是特別均勻，浸滲效果不理想，致使力學(xué)性能未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。分析其原因，作者認(rèn)為主要是因?yàn)樘祭w維含量高導(dǎo)致，雖然碳纖維起到骨架作用其含量高，制件成型質(zhì)量會(huì)更好，但也會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)弊端：一是當(dāng)局部的碳纖維含量高，則碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的接觸面積也隨之增大，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)難度增大；另一點(diǎn)是因?yàn)樘祭w維含量較多，纖維表面相互接觸緊密，增加了樹(shù)脂的流動(dòng)難度，導(dǎo)致樹(shù)脂難以流動(dòng)到碳纖維之間，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)因樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維不充分產(chǎn)生干斑，會(huì)因?yàn)闃?shù)脂流動(dòng)不均衡產(chǎn)生樹(shù)脂貧膠或富集等缺陷，從而削弱復(fù)合材料制件的力學(xué)性能[9]。

圖1（c）是圖1（b）中局部放大圖，可以看出箭頭所指處存在氣孔，這也是影響試樣力學(xué)性能力學(xué)性能的一個(gè)因素。產(chǎn)生氣孔的原因主要有3個(gè)：一是用VARI工藝制備真空模具的過(guò)程中，模具有漏氣處未檢查到；二是樹(shù)脂脫泡時(shí)未處理干凈；三是導(dǎo)入樹(shù)脂后放在烘箱加熱的過(guò)程中會(huì)有小分子的揮發(fā)。這3點(diǎn)都有可能使制件內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。

由圖1（d）中觀察到該區(qū)域碳纖維絲束均與樹(shù)脂潤(rùn)濕良好，未見(jiàn)樹(shù)脂的層次或氣孔形貌；大量碳纖維絲束的表面有環(huán)氧樹(shù)脂附著，基體的團(tuán)聚現(xiàn)象也得到了顯著的改善，并且碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂之間的黏結(jié)更加緊密，此時(shí)滲入效果相對(duì)均勻[10]，從標(biāo)記框中可以看出被環(huán)氧樹(shù)脂附著的碳纖維斷口平整，并出現(xiàn)了明顯的拉拔現(xiàn)象，這說(shuō)明了碳纖維復(fù)合層壓板在承受載荷的過(guò)程中碳纖維發(fā)揮了明顯的增強(qiáng)作用，發(fā)生拉伸斷裂時(shí)需吸收大量的功從而阻礙復(fù)合材料的斷裂[11]，此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂作為傳遞應(yīng)力的載體，充分地滲透到碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂之間，可以有效地提高碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的承載性能。

2.2.2" 腐蝕后碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷口形貌

腐蝕后碳纖維復(fù)合材料斷口形貌如圖2所示。由圖2（a）可以看出，碳纖維復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)3天的海水腐蝕浸泡后，在拉拔作用下，纖維與樹(shù)脂分離斷開(kāi)，孔隙率相對(duì)增多，這是碳纖維復(fù)合材料的吸濕特性使水分子浸入到試樣表面的裂紋逐漸浸滲到復(fù)合材料的內(nèi)部，破壞了樹(shù)脂與纖維之間的界面結(jié)合性，造成了樹(shù)脂對(duì)纖維的包裹性變差，拔出所需的功也隨之減少，其強(qiáng)度也隨之下降。

在圖2（b）、圖2（c）中可以明顯看出，在模擬海水中浸泡的時(shí)間越長(zhǎng)，拉拔作用后的孔隙尺寸越大。由圖（c）可以看出，在海水溶液浸泡7天后，碳纖維上包裹的環(huán)氧樹(shù)脂較之前明顯稀疏，這是因?yàn)楹Ｋg，使水分子不斷浸滲到碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的界面空隙中，降低了樹(shù)脂和纖維間的黏結(jié)性，從而使力學(xué)性能有所下降[12]。

圖2（d）是浸泡70天后的斷口形貌圖，從圖中雖然可以看出孔洞尺寸較大，且碳纖維上附著的環(huán)氧樹(shù)脂變少，但大部分的碳纖維依舊起到支撐骨架的作用，碳纖維表面也能明顯看出有均勻環(huán)氧樹(shù)脂黏接，這些都說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維界面結(jié)合力雖然有所減弱但依舊能發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料大部分的優(yōu)異性能[13]。

3" 結(jié) 論

碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為395.93 MPa和568.44 MPa；模擬海水中浸泡70天后拉伸性能和彎曲性能的保持率分別能保持在80.33%、80.48%；斷口微觀形貌表明環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維編織布浸潤(rùn)良好，使得碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂充分均勻浸滲可有效增強(qiáng)碳纖維復(fù)合層壓板承載能力，腐蝕前環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維編織布總體浸潤(rùn)充分且均勻，拉拔孔洞較少；腐蝕后碳纖維表面包裹的樹(shù)脂雖然變少但仍粘結(jié)在纖維表面，碳纖維拉拔留下的孔洞變多但碳纖維仍起到骨架的支撐作用，由此可見(jiàn)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料總體來(lái)看力學(xué)性能優(yōu)異。

參考文獻(xiàn)：

［1］木子.“十四五”指標(biāo)新變化釋放高質(zhì)量發(fā)展強(qiáng)信號(hào)[J].人民之聲，2021（3）：12-13.

［2］李香林.大型風(fēng)電葉片整體成型工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2019.

［3］武衛(wèi)莉，陳豐雨.真空輔助樹(shù)脂灌注法制備風(fēng)電葉片樹(shù)脂的滲透及缺陷[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2019，36（12）：2779-2785

［4］趙秀芬，劉剛，李偉東.液態(tài)成型復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2017（17）：60-64.

［5］李培旭，陳萍，蘇佳智，等.復(fù)合材料先進(jìn)液體成型技術(shù)的航空應(yīng)用與最新發(fā)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2016（8）：99-104.

［6］魏俊偉，張用兵，郭萬(wàn)濤.真空輔助成型（VARI）工藝研究進(jìn)展[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2010，25（3）：99-105.

［7］張朋，霍志偉，李圓圓.一體在線真空灌注成型工藝在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用[J].玻璃纖維，2022（1）：25-29.

［8］魯振宏. 碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料RTM制備及其耐腐蝕性能[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2021.

［9］劉振賓，時(shí)卓，左繼成，等.RTM工藝制備碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39（3）：16-19．

［10］張育洋，李飛，虢海銀.T700碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備與性能研究[J].合成纖維，2021，50（3）：54-58.

［11］侯小龍. 環(huán)氧樹(shù)脂基/碳纖維復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)與性能[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2019.

［12］楊美華. 海洋環(huán)境下碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料加速老化試驗(yàn)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2011．

［13］周松，賈耀雄，許良，等.濕熱環(huán)境對(duì)T800碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].材料工程，2021，49（10）：138-143.

Abstract： The corrosion resistance of carbon fiber composites prepared by vacuum assisted resin injection （VARI） process was studied， and the fracture morphology of carbon fiber composites prepared by VARI process was analyzed. The results showed that the tensile strength and flexural strength of carbon fiber resin matrix composites were 395.93 MPa and 568.44 MPa respectively， and the retention rate of tensile and flexural properties maintained above 80% after being immersed in simulated seawater for 70 d; The epoxy resin and carbon fiber woven cloth were fully wetted， and there were few drawing holes before corrosion; After corrosion， the wrapping property of the resin to the fiber became worse， and the holes became more， but most of the excellent properties of the material were still maintained.

Key words： Carbon fiber/epoxy resin composites; VARI; Corrosion resistance; Fracture morphology