耐高溫碳纖維樹脂基復合材料的制備與研究

摘" " " 要： 碳纖維復合材料由于其輕質、耐溫的特點已被廣泛應用于汽車行業，因此研究其耐溫性能具有重大意義。以24K-T300為增強體，以692-9G型環氧樹脂體系通過真空樹脂導流成型工藝制備碳纖維樹脂基復合材料，并對其進行力學測試和熱氧老化實驗，分析高溫對碳纖維樹脂基復合材料性能的影響。結果表明：熱氧老化后碳纖維復合材料的失重率先急速上升后趨于平緩，老化初期水分與低分子物在高溫狀態下揮發，老化后期復合材料與氧氣發生化學老化，并致使分子鏈斷裂且界面遭到破壞，造成復合材料拉伸性能降低。

關" 鍵" 詞：碳纖維樹脂基復合材料；真空樹脂導流成型工藝；熱氧老化；界面

中圖分類號：TB332" " " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）06-0812-04

碳纖維樹脂基復合材料以其質量輕、性能高、設計靈活度高等獨特優勢應用于各行業領域，可以代替部分傳統材料成為新型材料并得以廣泛使" "用[1]。復合材料液體成型技術（LCM），是在一定壓力下向鋪設有預成型體的封閉模具中注入樹脂，液體樹脂在流經模具型腔的過程中可以潤濕和固化預制件，從而制備出復合材料的技術手段[2]。目前，真空樹脂導流工藝（VARI）是復合材料液體成型技術中成本低、易操作的制備工藝之一。

VARI是以樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）為基礎，為滿足低成本、易操作的需求發展而來的，此工藝是在真空負壓條件下完成制備的，使用密封膠將柔性真空袋包裹在單面剛性模具上，在真空條件下實現樹脂體系流動與對纖維滲透并固化的一種制備成型工藝[3-6]。

1" 實驗部分

1.1" 原材料

在碳纖維復合材料制備中，復合材料的強度取決于高性能碳纖維，它是制約先進碳纖維復合材料發展的重要因素；而復合材料的性能優劣的關鍵因素是樹脂基體的性能。因此，實驗原材料的選擇是至關重要的。

原材料：24K-T300碳纖維布，天津昂林貿烽高新材料有限公司；692-9G/A環氧樹脂、692-9G/B固化劑，深圳市郎博萬先進材料有限公司。

1.2" 實驗設備

真空泵、樹脂收集器、不銹鋼板，柔性塑料袋、脫模布、導流管、導流網、3M密封膠帶、樹脂導流硅膠接嘴等，Easy Composites Let. UTM4304 微機控制電子萬能試驗機，深圳三思縱橫有限公司；WHL-25AB型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3" 樣品的制備

1.3.1" 樹脂基體制備

采用692-9G/A和692-9G/B樹脂體系，由于692-9G為耐高溫型樹脂，其樹脂黏度高，不具備很好的流動性，并不能實現在真空條件下很好地導入到纖維布之間。因此在進行樹脂體系制備之前，對692-9G環氧樹脂進行預熱降低黏度處理，將樹脂升溫至60 ℃預熱1 h后出，按照100∶35的配比加入對應的固化劑，進行攪拌混勻，制備出具有一定抗溫特性的樹脂體系，用于VARI成型工藝。

1.3.2" 增強體制備

根據模具以及需求，將24K-T300碳纖維編織布裁剪成25 cm×25 cm大小，鋪設在不銹鋼板上，應用于真空樹脂導流成型工藝中。

1.3.3" 碳纖維樹脂基復合材料的制備

準備一塊不銹鋼板，使用丙酮擦拭干凈，確保不銹鋼板上清洗干凈無雜質后，在不銹鋼板的四周貼上專用的密封膠帶，以便于后期鋪設真空袋，并在密封膠帶內將脫模劑均勻地涂抹在不銹鋼表面，以確保在后期脫模過程中順利地與模具分離并得到一個表面光亮地制品。靜置10 min左右等待晾干后，鋪放25 cm×25 cm的碳纖維布并固定，然后再依次鋪設脫模布、導流網、導流管、樹脂導流硅膠接嘴等真空輔助材料，接著覆蓋柔性塑料袋，最后使用真空泵進行抽真空。當真空泵工作時，柔性塑料袋下的碳纖維布被壓力壓平，當真空氣密性維持" " 30 min時，打開開關，已制備好的樹脂體系在吸注壓力下被引流到鋪設好的纖維增強體中，當軟管中的樹脂無氣泡再排出時，夾緊注入口與排出口兩端軟管，使其在真空狀態下固化，隨后將不銹鋼板送至設有140 ℃溫度的干燥箱中加熱4 h，脫模取出制件。

1.4" 力學性能測試

碳纖維樹脂基復合材料拉伸性能測試參照GB/T 1447—2005，拉伸試樣尺寸為250 mm×25 mm×2.5 mm，加載載荷為30 kN，加載速率2 mm·min-1；復合材料彎曲性能測試參照GB/T 1449—2005，彎曲試樣尺寸為80 mm×15 mm×2.5 mm，加載載荷為10 kN，加載速率為2 mm·min-1。

1.5" 熱氧老化實驗

本文對以24K-T300碳纖維、692-9G環氧樹脂為基體材料制備的耐高溫碳纖維樹脂基復合材料進行了熱氧老化測試與研究。將需要進行力學性能測試的制件首次稱重后放入老化溫度設置為200 ℃的WHL-25AB型電熱恒溫干燥箱中進行高溫老化16天，未老化試件作為參照樣組。在進行熱氧老化實驗過程中，為避免制件與干燥箱直接接觸，造成受熱不均的現象出現，將鋁箔錫紙鋪設至干燥箱中，并將制件的兩端進行支撐，以確保受熱均勻[7]。

2" 結果與討論

2.1" 復合材料力學性能分析

真空樹脂導流成型工藝，是利用真空泵抽真空后形成的負壓將樹脂注入到纖維布之間，讓樹脂與纖維充分潤濕以此實現更好的界面結合，后固化制備得到碳纖維樹脂基復合材料，并使用萬能制樣機將復合制品裁成檢測標準尺寸，并進行力學性能測試，結果如表1所示。

表1中的數據顯示表明，碳纖維樹脂基復合材料的拉伸強度與彎曲強度為618.54 MPa和" "449.94 MPa。經過查詢發現，使用的692-9G環氧樹脂的最高拉伸強度為90 MPa，而經過成型工藝制備的碳纖維復合材料的強度提高了6.8倍，與其他成型工藝制備的碳纖維樹脂基復合材料的力學性能 相近。

2.2" 碳纖維復合材料界面失效分析

界面是纖維與樹脂基體傳遞載荷的主要渠道，樹脂基體對纖維增強體的潤濕能力、纖維與樹脂基體黏結強度決定了復合材料力學性能的高低[8]。因此在進行拉伸測試的過程中，當復合材料受到一定的外界載荷的作用時，發生斷裂，對拉伸制件的截面進行了界面的表征，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，碳纖維與樹脂基體結合良好，纖維布與樹脂黏合牢固；由于樹脂的黏度大，流動性差，不能均勻地浸潤單層纖維布中的纖維絲束，且部分碳纖維含量大，碳纖維絲束之間的接觸緊密，樹脂滲透纖維空隙難度較大，致使樹脂對纖維的潤濕不足，形成了富樹脂區[9]。從斷口處看，截面處的纖維斷裂完整，無纖維絲束被抽出，說明在制備的過程中，部分纖維絲束與樹脂浸潤充分，發生聚合反應，存在優異的黏結力，證明樹脂與纖維浸潤發生聚合形成了性能良好的界面，其力學性能也" 較好[10]。

2.3" 熱氧老化對復合材料性能的影響

碳纖維復合材料由于其輕質的獨特優勢已廣泛應用于汽車產業，如奧迪A8汽車的傳動軸通道及轎廂后壁等。傳動軸長期服役在溫度較高的環境中，因此需要對材料在具有高溫和氧氣的情況下進行性能測試。繪制的失重率與加熱時長曲線如圖2所示。由圖2中可以看出，在老化的前5天，曲線斜率傾斜角度較大，失重率上升較快，質量流失的較快；老化第8天開始，曲線的斜率傾斜角度較為平緩，失重率上升的緩慢，保持較小的增加趨勢。這是因為復合材料老化第一階段為物理老化，老化初期，材料失重較快，內部的水分與低分子物在高溫狀態下揮發[11]，造成復合材料失重較為明顯；末期，隨著老化時間的增加，水分全部蒸發，失重的較為緩慢，此階段發生的是化學老化，復合材料與氧氣發生氧化反應，致使材料的性能下降，但失重率依舊在上升，不過增加的趨勢較小。

碳纖維復合材料熱氧老化后的拉伸性能如表2" 所示。由表2可以看出，在200 ℃下，碳纖維樹脂基復合材料老化16天后的拉伸強度為519.37 MPa，其強度保持率為83.97%。碳纖維樹脂基復合材料在受到高溫作用，最初發生物理老化，即復合材料內部的水分揮發，造成質量下降，但是性能下降得并不明顯，其強度保持率處于一個較高的狀態。

隨著老化時間的延長，試樣長時間暴露在高溫環境中，導致其性能下降。原因是材料與氧氣反應，發生化學老化，導致復合材料內的分子鏈遭到破壞，且老化的時間越長，纖維與樹脂的膨脹率不同會產生內應力，導致界面發生脫黏現象[12]，界面遭到破壞，最后致使纖維和樹脂傳遞應力的能力減弱，性能下降。

3" 結 論

1）以24K-T300、692-9G為基體材料，采用真空樹脂導流工藝制備碳纖維復合材料，經過力學性能測試，拉伸強度與彎曲強度分別為618.54 MPa和449.94 MPa，復合材料力學性能的優異與界面良好潤濕和聚合是相關的[13]。

2）熱氧老化初期，復合材料失重明顯是水分與低分子物在高溫狀態下揮發造成的；后期失重率緩慢上升的原因是復合材料與氧氣發生氧化反應，發生化學老化。

3）碳纖維樹脂基復合材料在200 ℃下進行熱氧老化16天后的拉伸性能為519.37 MPa，其強度保留率為83.97%。造成老化后碳纖維復合材料拉伸性能降低的原因是材料與氧氣反應，導致分子鏈斷裂，且界面遭到破壞。

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Abstract：" "Carbon fiber composite has been widely used in the automotive industry because of its light weight and temperature resistance， so it is of great significance to study its temperature resistance. In this paper， carbon fiber resin matrix composites were prepared by vacuum resin diversion molding process with 24K-T300 as reinforcement and 692-9G epoxy resin system. The mechanical tests and thermal oxygen aging tests were carried out to analyze the effect of high temperature on the properties of carbon fiber resin matrix composites. The results showed that the weight loss of carbon fiber composites after thermal oxygen aging first rose rapidly and then tended to be flat. At the early stage of aging， water and low molecular weight compounds volatilized at high temperature. At the later stage of aging， the composites and oxygen underwent chemical aging， resulting in molecular chain fracture and interface damage， resulting in the decrease of tensile properties of the composites.

Key words：" Carbon fiber resin matrix composites; Vacuum resin diversion molding process; Thermal oxygen aging; Interface