兩種國(guó)產(chǎn)T800 級(jí)碳纖維界面狀態(tài)及復(fù)合材料力學(xué)性能研究

王涵 周洪飛 張路 李是卓

摘 要 研究了兩種國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維界面狀態(tài)及復(fù)合材料力學(xué)性能，結(jié)果表明，與B類纖維相比，A類纖維表面形貌粗糙度高約23%、O/C含量高約7.4%、活性C含量高約20%，微觀剪切強(qiáng)度高約10%，A類纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度比B類纖維高約8%。A類纖維與樹脂形成更好的化學(xué)與物理結(jié)合，界面結(jié)合作用較好。

關(guān)鍵詞 T800級(jí)碳纖維；界面；表面活性；力學(xué)性能

Study on the Interface State of Different Domestic T800

Carbon Fibers and the Mechanical Properties of Composites

WANG Han， ZHOU Hongfei， ZHANG Lu， LI Shizhuo

（AVIC Composites Co.， Ltd.， Beijing 100000）

ABSTRACT The interface state and mechanical properties of two kinds of domestic T800 carbon fibers were studied. The results showed that compared with class B fibers， the surface roughness of class A fibers was about 23% higher， the O/C content was about 7.4% higher， the active C content was about 20% higher， and the microscopic shear strength was about 10% higher. The compressive strength of Class A fiber reinforced composites after impact is about 8% higher than that of class B fiber. Class A fiber and resin form a better chemical and physical bond， and the interface bond is better.

KEYWORDS T800 carbon fiber；interface；surface activity；mechanical properties

項(xiàng)目支持：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2022YFB3709100）

通訊作者：周洪飛，男，研究員。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)樹脂基復(fù)合材料。E-mail：wanghan6583@163.com

1 引言

碳纖維復(fù)合材料是由增強(qiáng)體碳纖維和基體樹脂復(fù)合而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料［1］，具有較高的比強(qiáng)度、高比模量和優(yōu)異的耐腐蝕的性能，被廣泛的應(yīng)用于航空、船舶、航天等領(lǐng)域。在碳纖維復(fù)合材料里，碳纖維起到增強(qiáng)作用，承接作用力和傳遞載荷，樹脂作為基體通過界面作用將載荷傳遞到纖維。因此當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，界面起到傳遞載荷的作用就顯得尤為重要，界面的性質(zhì)和狀態(tài)直接影響復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能［2］，是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵點(diǎn)，也是近期國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的界面不是特指增強(qiáng)體纖維和基體樹脂之間的單純幾何層，而是泛指纖維與樹脂之間的包括幾何層在內(nèi)的界面層［3］。在該結(jié)構(gòu)層內(nèi)，增強(qiáng)體纖維與基體樹脂的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都存在不同程度的差異，這不僅取決于纖維與樹脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，還受到復(fù)合材料固化工藝、成型工藝等其他因素影響，如碳纖維在出廠前會(huì)進(jìn)行上漿處理，上漿劑的濃度、厚度及種類都會(huì)大大影響纖維與樹脂的界面結(jié)合。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維與樹脂的界面結(jié)合提出幾種理論，如化學(xué)鍵結(jié)合理論、機(jī)械嚙合理論、樹脂浸潤(rùn)理論等［4］。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，纖維與樹脂的界面結(jié)合不是由某一種理論完全解釋的，這是多種作用相互協(xié)調(diào)、共同作用的結(jié)果［5］。Thomsomn等人［6］通過對(duì)比多種纖維與多種樹脂的界面結(jié)合實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為纖維與樹脂復(fù)合使得纖維表面的分子鏈活動(dòng)受到限制，根據(jù)界面浸潤(rùn)理論，纖維經(jīng)過樹脂浸潤(rùn)后，纖維選擇性吸收樹脂組分，而后表面形成一層具有剛性結(jié)構(gòu)的界面層，當(dāng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)過一定溫度、壓力條件下固化成型后，界面層會(huì)變得非常復(fù)雜，界面層顯得更加尤為重要［7］。而化學(xué)鍵理論認(rèn)為，纖維與樹脂結(jié)合的過程中，主要是范德華力起主導(dǎo)作用［8］。

目前對(duì)于纖維與樹脂的界面表征主要包括纖維微觀結(jié)構(gòu)、纖維表面活性以及纖維與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度。纖維微觀結(jié)構(gòu)可以通過掃描電鏡、原子力纖維鏡等手段實(shí)現(xiàn)，纖維表面活性可以通過IGC直接測(cè)得纖維活化能，也可以通過間接方式XPS對(duì)纖維表面元素及官能團(tuán)表征計(jì)算，從而間接獲得纖維活化能；或者通過接觸角實(shí)驗(yàn)，纖維與不同極性和非極性溶劑接觸，通過接觸力衡量纖維表面活性。纖維與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度主要有微脫粘實(shí)驗(yàn)和復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度，前者是單絲級(jí)別，后者是宏觀力學(xué)級(jí)別，數(shù)據(jù)可靠度都很高，也是目前國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者常用的表征纖維與樹脂界面的方式。

本文首先通過觀察纖維表面形貌、測(cè)試?yán)w維表面原子含量和纖維與樹脂微觀結(jié)合力，對(duì)比兩種國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維界面狀態(tài)，并制備了復(fù)合材料層合板，目的為國(guó)產(chǎn)T800 級(jí)碳纖維應(yīng)用及其增強(qiáng)的復(fù)合材料界面性能研究提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考意義。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 原材料

實(shí)驗(yàn)采用兩種同級(jí)別但不同界面的國(guó)產(chǎn)A類碳纖維和B類碳纖維，兩種纖維的具體信息如表1所示，實(shí)驗(yàn)所用樹脂為某國(guó)產(chǎn)高性能高溫環(huán)氧類樹脂。

2.2 試樣制備

2.2.1 碳纖維去上漿劑

碳纖維在出廠前會(huì)在表面涂刷一層上漿劑，目的減少纖維在后續(xù)使用過程中造成的磨損、打結(jié)和并絲現(xiàn)象發(fā)生，提高纖維集束性，增加纖維與樹脂的浸潤(rùn)性，保護(hù)纖維［9］。為了更加直觀清晰的觀察和研究碳纖維本征性能與碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料界面之間的關(guān)系，需要對(duì)已經(jīng)上過漿的碳纖維進(jìn)行去劑。本實(shí)驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)中索式萃取試驗(yàn)方法對(duì)兩種不同界面的國(guó)產(chǎn) T800 級(jí)A類碳纖維和B類碳纖維進(jìn)行去劑處理。首先將一定長(zhǎng)度的碳纖維放置在溫度23±2 ℃、相對(duì)濕度50±10%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)濕6 h以上，將調(diào)濕后的碳纖維放置于索氏提取器中，并加入足量的丙酮以確保回流循環(huán)，調(diào)節(jié)加熱爐功率，使索氏提取器2 h至少完成8次循環(huán)，而后萃取36 h，關(guān)掉加熱爐。經(jīng)過一定時(shí)間萃取后的碳纖維從索氏提取器中取出，冷卻10 min，放置于105±5 ℃的鼓風(fēng)烘箱內(nèi)干燥5 h，最后再放入干燥器中進(jìn)行冷卻，溫度降至室溫即可。

2.2.2 微脫粘制樣制備

將單根碳纖維（單絲）從碳纖維試樣絲束中分離出來，將其拉直并粘貼在回型支架上，如圖1所示，高性能高溫環(huán)氧類樹脂在烘箱內(nèi)50 ℃保溫30 min，再與二氯乙烷10∶1的比例配制樹脂液，并迅速攪拌均勻，將配制好的樹脂液常溫下在真空烘箱里抽真空20 min，取出樹脂，用大頭針蘸取少量配制好的樹脂液，輕涂抹于碳纖維單絲上，將試樣放于鼓風(fēng)烘箱里在 130 ℃下固化30 min。

2.3 測(cè)試與表征

使用Quanta 450FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）兩種不用界面的T800級(jí)碳纖維表面形貌。將一束碳纖維用手術(shù)刀平齊切斷，分別用導(dǎo)電膠帶將平齊切斷的碳纖維垂直粘貼在鋁制載物臺(tái)上，對(duì)粘在導(dǎo)電膠上的纖維表面噴金，經(jīng)過兩次噴金后放入SEM內(nèi)觀察，電子加速電壓為 20～50 kV，束流1pA，放大倍數(shù)50～8000X。

采用Dimension ICON原子力顯微鏡（AFM） 觀察碳纖維三維立體形貌，通過探針針尖與樣品微弱作用力獲取纖維表面粗糙度，掃描面積為5 μm×5 μm， 掃描頻率為 1.0 Hz。

采用X射線光電子能譜儀（美國(guó)ThermoFischer，ESCALAB 250Xi）測(cè)試碳纖維表面元素組成及化學(xué)官能團(tuán)，分析室真空度8×10-10 Pa，激發(fā)源采用Al ka射線（hv=1486.6 eV），工作電壓 12.5 kV，燈絲電流16 mA，進(jìn)行5～10次循環(huán)的信號(hào)累加。

通過微脫粘試驗(yàn)測(cè)試?yán)w維與樹脂的微觀剪切性能。將帶有已經(jīng)固化好的尺寸均勻且正圓的樹脂小球碳纖維固定在微脫粘儀器上，移動(dòng)卡刀，使其將其中一個(gè)樹脂小球從左右兩側(cè)卡住，移動(dòng)回形架使得纖維勻速自下而上移動(dòng)，直至卡刀恰好將樹脂小球剝落，此時(shí)儀器會(huì)記錄纖維與樹脂小球分離瞬間的最大結(jié)合力，如何計(jì)算纖維與樹脂的微觀界面結(jié)合強(qiáng)度如公式（1）所示。

IFSS=FmaxΠDL（1）

式中，IFSS為纖維與樹脂微觀界面剪切強(qiáng)度；

F為樹脂與纖維剝離時(shí)的最大剪切力；

L為纖維邁入樹脂球的長(zhǎng)度。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能在 Intron 公司的 Instro5967萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度按照ASTMD7137開展。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳纖維表面形貌

兩種不同界面的國(guó)產(chǎn)T800纖維去除上漿劑后的表面形貌SEM如圖 2所示，由圖A（a）和A（b）看出未上漿的A類碳纖維表面整體光滑，但具有相對(duì)明顯的沿著軸向排列均勻分布的較淺溝槽，由A（c）可看出，纖維截面致密，形狀呈正圓形，具有明顯的干噴濕紡紡絲工藝特征，干噴濕紡工藝生產(chǎn)的碳纖維兼具了拉伸強(qiáng)度和機(jī)械嚙合的優(yōu)勢(shì)［10］。與A類纖維相比，B類纖維表面明顯溝槽更淺，根據(jù)界面機(jī)械嚙合理論，纖維表面溝槽的數(shù)量越小、深度越淺，纖維與樹脂的界面結(jié)合面積越小，界面結(jié)合強(qiáng)度越弱。

為了進(jìn)一步對(duì)比兩種碳纖維界面狀態(tài)，采用AFM對(duì)其觀察三維立體形貌，如圖3所示，由圖3可以看出，A、B類纖維表面存在明顯的沿著纖維軸向排列的深淺不一溝槽，但A類溝槽深度更深，數(shù)量更多，對(duì)兩類碳纖維隨機(jī)抽取三個(gè)試樣進(jìn)行粗糙度測(cè)試，數(shù)據(jù)如表 2 所示，A類纖維平均粗糙度要高于B類纖維約23%，根據(jù)界面機(jī)械嚙合理論，纖維表面積越大，粗糙度越高，纖維與樹脂結(jié)合越牢固。

3.2 碳纖維表面元素及含氧官能團(tuán)

通過XPS表征測(cè)試兩種碳纖維表面化學(xué)特性，如圖4所示，對(duì)XPS圖譜分峰處理，纖維表面主要存在 C、O、Si、N四種元素，纖維表面原子含量具體如表3所示，數(shù)據(jù)顯示A類纖維O/C含量略高于B類，約7.4%。而經(jīng)過陽(yáng)極氧化處理過的碳纖維表面O含量越高，表面活性越高，纖維與樹脂的界面結(jié)合越牢固。

利用 C1s 電子 XPS 窄掃描， 并對(duì)測(cè)試后的 C1s 圖譜進(jìn)行分峰處理，分峰圖如圖5所示，碳纖維含C官能團(tuán)具體含量如表4所示，其中C-O、C=O為活性C，C-C為非活性C，活性C占比越高，纖維表面活性越高，整體來看，與B類纖維相比，A類纖維表面原子中活性C含量更高，即其表面活性更高，根據(jù)界面化學(xué)鍵結(jié)合理論，這意味著A類碳纖維與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度較高。

3.3 單纖維/樹脂微脫粘

采用微脫粘法從微觀角度測(cè)試兩種不同界面的T800級(jí)碳纖維與樹脂的界面結(jié)合作用，具體數(shù)據(jù)如表5所示，數(shù)據(jù)顯示A類纖維與高性能環(huán)氧樹脂的界面剪切力高于B類纖維約10%，即A類纖維與該樹脂界面結(jié)合作用更強(qiáng)。

3.4 復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能

制備A、B類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板，并按照ASTM D7137（6.67 J/mm）進(jìn)行沖擊后壓縮強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表6所示，表中數(shù)據(jù)顯示兩類纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料均具有較高的沖擊后壓縮強(qiáng)度，但相比與B類纖維，A類纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度要高于B類約8%，這可能歸功于A類纖維與樹脂的界面結(jié)合牢固所致。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)選取了兩種不同界面的國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維及復(fù)合材料力學(xué)性能，通過對(duì)其界面狀態(tài)和復(fù)合材料力學(xué)研究，結(jié)果表明，相同級(jí)別的T800級(jí)國(guó)產(chǎn)碳纖維，A類纖維表面形貌粗糙度高于B類約23%、O/C含量高約7.4%、活性C含量高約20%，微觀剪切強(qiáng)度高約10%。A類纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度比B類纖維高約8%。即A類纖維與樹脂形成更好的化學(xué)與物理結(jié)合，界面結(jié)合作用較好。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］賀福.碳纖維及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］梁春華. 高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片綜述［J］. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 2006（03）：48-52.

［3］王運(yùn)英，孟江燕，陳學(xué)斌，白楊. 復(fù)合材料用碳纖維的表面技術(shù).處理技術(shù)，36（3）：53-57.

［4］陳祥寶，張寶艷，邢麗英.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀.中國(guó)材料進(jìn)展，2009，28（6）：2-11.

［5］易楠，顧軼卓，李敏.碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的形貌與尺寸表征［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27（5）：36-40.

［6］Thomson A W， Starzl T E. New Immunosuppressive Drugs： Mechanistic Insights and Potential Therapeutic Advances［J］. Immunological Reviews， 1993，136（1）：71-98.

［7］張巧蜜.聚丙烯腈基碳纖維［M］.東華大學(xué)出版社，2005-7.

［8］何宏偉.碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料改性處理［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

［9］謝云峰，王亞濤，李順常.碳纖維工藝技術(shù)研究及發(fā)展現(xiàn)狀［J］.可化工新型材料，2013，41（5）-27.

［10］張煥俠．碳纖維表面和界面性能研究及評(píng)價(jià)［D］.東華大學(xué)，2014.