碳纖維展纖紗性能研究*

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1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620

碳纖維是一種高性能纖維，具有高比強度、高比模量及耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻射、導電、傳熱、減震、降噪等一系列優良性能[1]。碳纖維復合材料目前已廣泛應用在航空航天、武器裝備、產業裝備制造、醫藥與健康、體育休閑等領域[2]。

紡織復合材料因其特有的結構形式和性能特征而占有重要的地位[3]。薄層碳纖維織物的厚度小，面密度低，鋪貼性好，可設計性強，而且由于織物中紗線的屈曲程度小，能夠有效提高碳纖維力學性能的利用率，減少屈曲引起的應力集中，提升復合材料的力學性能[4-5]。薄層碳纖維織物通常采用1K或3K的小絲束碳纖維，但小絲束碳纖維的價格過高，因此薄層碳纖維織物的應用非常有限。為解決上述問題，科研人員研發出展纖技術[6]和條帶織造技術[7]，將價格較低的大絲束碳纖維展寬、展薄，用于織造薄層碳纖維織物。

羅云烽等[8]對碳纖維紗線預成型體的浸潤性進行了研究，指出展纖后碳纖維紗線預成型體中，碳纖維紗線束間空隙小，纖維和空隙分布均勻，因此浸潤性均勻，“手指效應”不明顯，滲透率小。李蓓蓓[9]通過對比碳纖維紗線展纖前后纖維浸漬樹脂橫截面，指出未經展纖的碳纖維紗線，其纖維束間空隙大，形成了很大的富樹脂區，還有多處纖維未被樹脂浸漬。上述研究主要針對碳纖維展纖紗束間的浸潤性，而對碳纖維展纖紗束內沿纖維方向的浸潤性研究較少。謝飛等[10]研究了工藝參數對碳纖維展纖效果的影響，指出展纖過程中能夠觀察到纖維束的劈裂和纖維斷裂現象，但未對展纖紗內部的纖維斷裂情況進行研究。

本文利用自行研制的展纖裝置[11]，對T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K碳纖維紗線進行展纖處理，并對展纖前后的碳纖維紗線的浸潤性及其在展纖過程中的受損情況進行評價。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K三種碳纖維紗線(分別簡稱為12K、 24K、 50K)，通過自行研制的展纖裝置進行展纖。展纖前后的碳纖維紗線，分別稱為原紗和展纖紗。原紗和展纖紗寬度如表1所示。環氧樹脂體系采用SWANCOR2511-1A主劑和SWANCOR2511-1BS固化劑。丙酮試劑由上海凌峰化學試劑有限公司提供，其純度大于99.5%。

表1 展纖前后碳纖維紗線寬度

1.2 測試方法與試樣制備

1.2.1 浸潤性測試

碳纖維紗線浸潤性試驗裝置如圖1所示。將碳纖維紗線依次固定在一塊光滑的平板上，在平板的右側放置一支刻度尺。環氧樹脂溶液中主劑和固化劑按質量比100∶30混合均勻，真空脫泡后，在25 ℃恒溫條件下靜置于玻璃容器中。將固定有碳纖維紗線的平板垂直浸潤到環氧樹脂溶液中，環氧樹脂在芯吸壓力的驅動下沿著碳纖維迅速上升，浸潤碳纖維表面。利用數碼攝像機記錄90 min內環氧樹脂在碳纖維紗線中的上升過程。

圖1 浸潤性試驗裝置示意

浸潤過程中，環氧樹脂在碳纖維紗線上的浸潤前鋒形狀可以反映紗線的均勻性。在浸潤性試驗中，選取90 min時環氧樹脂浸潤前鋒形狀圖像，沿著紗線寬度方向將該圖像50等分，統計出每個圖像上環氧樹脂浸潤高度平均值，并計算50個等分圖像上環氧樹脂浸潤高度平均值的方差，根據方差值表征原紗和展纖紗的均勻性。

待浸潤完成，環氧樹脂固化后，選取碳纖維紗線中的完全浸潤部分進行切割、打磨，在金相顯微鏡下觀察橫截面中纖維分布情況，進一步分析原紗及展纖紗中碳纖維單絲分布及其均勻性。

1.2.2 碳纖維損傷檢測

首先，將150.0 mm長的碳纖維紗線完全浸沒在丙酮中，浸泡20 min，每5 min攪動一次。然后，從丙酮中取出碳纖維紗線，并將其放置在通風櫥中，待丙酮充分揮發，用90 ℃的熱風吹5 min。最后，對碳纖維紗線上的毛羽進行拍照記錄。

2 試驗結果與討論

2.1 浸潤性

2.1.1 展纖處理對浸潤高度的影響

從環氧樹脂浸潤碳纖維紗線開始，每隔5 min測量一次浸潤高度，最終得到浸潤高度與浸潤時間的關系，見圖3及表2。表2中最右側一欄的數據代表環氧樹脂在10 min時浸潤高度占90 min時浸潤高度的百分比。

圖3 浸潤高度與浸潤時間的關系

表2 10、90 min時浸潤高度

從圖3和表2可以看出，50K原紗的浸潤高度和浸潤速度都是最大的，24K原紗次之，12K原紗最低。同時，三種展纖紗的浸潤高度和浸潤速度與其原紗相比，均有一定程度的提高，這說明碳纖維紗線經過展纖處理后，碳纖維紗線束內的樹脂浸潤性有顯著改善。

從圖3還可以看出，三種原紗及其展纖紗的浸潤速度都隨浸潤時間增加逐漸減慢。但是不同型號的碳纖維紗線的浸潤速度的減慢速度不同，其K數越大，減慢速度越小。樹脂沿12K碳纖維紗線上升約45 min后即停止，24K碳纖維紗線為50 min，50K碳纖維紗線為65 min。對于同一K數的原紗與展纖紗，達到最大浸潤高度的浸潤時間基本相同。

浸潤時間達90 min時，浸潤高度已經達到最大高度，三種原紗與其展纖紗的浸潤高度差值達到最大，分別為3.0、1.0和2.7 mm；浸潤時間達10 min時，浸潤高度均已超過各自最大浸潤高度的50.0%，三種原紗與其展纖紗的浸潤高度的差值為2.1、1.0和0.8 mm，占最大浸潤高度差值的百分比分別為70.0%、100.0%和29.6%。再結合圖3中的曲線可以看出，在浸潤過程的前10 min內，12K展纖紗的浸潤速度遠大于其原紗的浸潤速度，當浸潤時間達10 min后，兩者的浸潤高度的差值緩慢增大；在浸潤時間達10 min后，24K展纖紗和原紗的浸潤速度基本相等，其浸潤高度差值保持不變；在浸潤過程的前10 min內，50K展纖紗與原紗的浸潤速度差距很小，但隨后，兩者的浸潤速度差距逐漸加大，其浸潤高度差值快速增大。

環氧樹脂固化后的紗線截面如圖4所示。原紗呈現明顯的樹脂集聚區和纖維密集區，而展纖紗中的纖維分布更為均勻，且沒有明顯的環氧樹脂集聚區，形成了更多的芯吸通道，使得環氧樹脂浸潤纖維的速度更快，并且平行于纖維方向的浸潤高度顯著提高。

圖4 碳纖維紗線截面

2.1.2 展纖處理對浸潤均勻性的影響

經過圖像處理后碳纖維紗線上環氧樹脂浸潤前鋒形狀圖像(90 min時)如圖5所示。浸潤高度方差見表3，其值越小表明浸潤均勻性越好。

從圖5和表3可以看出，12K原紗和展纖紗的浸潤均勻性較好，50K原紗和展纖紗次之，24K原紗和展纖紗最差。同時，展纖紗的浸潤均勻性均比其原紗有所改善，這是因為展纖紗中沒有明顯的環氧樹脂集聚區和纖維密集區，纖維分布較均勻，不同區域的浸潤速度差距小。

表3 浸潤高度方差

圖5 環氧樹脂浸潤前鋒形狀圖像

2.2 碳纖維損傷檢測

圖6 碳纖維紗線表面毛羽

碳纖維紗線經熱風吹處理后，可以看到碳纖維紗線表面存在毛羽，如圖6所示。這些毛羽代表的是碳纖維紗線中斷裂的碳纖維單絲。碳纖維原紗和展纖紗中都存在一定數量的碳纖維單絲斷裂，展纖紗中的碳纖維單絲斷裂數量比其原紗多，這表明展纖處理會對碳纖維紗線造成一定程度的損傷，導致一部分碳纖維單絲斷裂。

3 結論

通過自行研制的展纖裝置，將T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K三種碳纖維紗線，從其原紗寬度7.0、10.0和15.0 mm分別展纖至16.0、26.0和47.0 mm：

(1) 展纖紗的浸潤高度和浸潤速度均較其原紗有明顯提高，這表明碳纖維紗線經過展纖處理后，碳纖維紗線束內的浸潤性有顯著改善。

(2) 展纖紗中沒有明顯的環氧樹脂集聚區和纖維密集區，纖維分布較均勻，浸潤均勻性提高。

(3) 自行研制的展纖裝置可以保證碳纖維紗線良好展開，但對碳纖維紗線有一定損傷。

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