高強型碳纖維復絲拉伸性能測試影響因素的研究

梁燕+邱星翔+蔣玲玲+胡偉偉

摘要：

碳纖維復絲拉伸性能的正確測試是對其質量評價的重要內容。目前，GB/T 26752—2011《聚丙烯腈基碳纖維》引用的測試方法主要針對標準型碳纖維，提供的制樣和測試方法在一定程度上是原則性描述，已不適用高強型碳纖維復絲拉伸性能的測試。本文通過對樹脂體系、浸膠及固化條件、試樣加強片的類型及粘貼方式等影響因素的研究，選取與高強型碳纖維復絲拉伸性能相適宜的測試方法，真實準確高效地提供高強型碳纖維復絲拉伸性能數據。

關鍵詞：高強型；碳纖維復絲；拉伸性能測試；影響因素

1 國內外研究現狀

隨著碳纖維的問世和應用領域的不斷擴大，關于碳纖維綜合性能評價與表征的研究飛速發展。以日本、美國為代表的碳纖維生產和應用大國已建立了性能指標完整、表征方法科學的碳纖維評價與表征體系，可準確地反映碳纖維本征特性和界定碳纖維性能等級。國外碳纖維評價表征研究和碳纖維研制緊密結合并同步發展，碳纖維性能客觀系統評價有效指導了高性能碳纖維的研制，促進了碳纖維的更新換代[1]。

近年來，國家相關部門高度重視我國碳纖維的發展，碳纖維研發和生產實力得到了快速提升。“十五”以來，在相關部委的支持下，國產碳纖維在性能、產能等方面取得了可喜成績，國產T300級碳纖維工程化技術已取得重大突破并獲得大量應用，國產T700級碳纖維工程化工作已取得重大進展。國產T800級碳纖維已突破關鍵制備技術，工程驗證也迫在眉睫。國產GQ3522型（T300級）碳纖維實現了千噸級產業化建設，產品陸續進入市場，品種包括24K及以下規格，應用研究進展迅速，獲得軍民領域的應用。拉伸強度4500MPa和拉伸模量220GPa以上的國產GQ4522、拉伸強度5000MPa和拉伸模量220GPa以上的國產GQ5022（T700級）等高強型碳纖維，其中部分品種已完成百噸級工程化研究，產品進入復合材料應用評價與工程應用階段。

評價碳纖維拉伸性能有兩種方法——單絲拉伸性能和復絲拉伸性能[2]，由于采用單絲拉伸法測定碳纖維的力學性能得到的數據存在較大偏差，復絲拉伸法是采用一束碳纖維浸膠后固化形成的復合材料進行拉伸性能測試，這樣更接近碳纖維在復合材料中的狀態，得到的力學性能數據對復合材料的設計更有參考價值，因此應用更多。

近年來關于碳纖維拉伸性能測試的研究國內外已有一些文獻報道，但對高強型碳纖維拉伸性能測試包括樣品制備過程的影響因素尚未有系統的研究和報道。因此，研究高強型碳纖維力學性能測試過程中相匹配的樹脂及其固化條件、加強片的粘貼方式、浸膠張力大小等影響因素尚需要系統深入的研究，才能高效準確真實地反映碳纖維本身力學性能，才能更好地推動我國碳纖維產業的發展。

2 高強型碳纖維復絲拉伸性能測試原理、參數及設備要求

2.1 測試原理

碳纖維復絲的拉伸性能指標為拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率。碳纖維復絲的拉伸性能和彈性模量通過浸漬樹脂固化后纖維的拉伸加載直至破壞來測定。拉伸強度由破壞載荷除以碳纖維復絲的截面積來得到，彈性模量由規定的應變限測定。碳纖維復絲的截面積由線密度除以密度得到。

2.2 參數及設備要求

（1）拉伸試驗機：有恒定速率的拉伸試驗機，配有載荷和伸長曲線的記錄裝置。夾具系統應確保試樣中心線與試驗機中心軸一致。

（2）引伸計：測試拉伸模量時，根據纖維的斷裂伸長率大小設定應變限。使用引伸計測試碳纖維模量，較為準確地表征了碳纖維彈性模量值。

（3）斷裂伸長率：浸膠固化碳纖維脆性大，直徑小，精確測量其斷裂伸長較為困難，根據胡克定律由直接測試得到拉伸強度和彈性模量的比值進行計算得到[ISO 10618：2004（E）中規定]。

（4）密度梯度管：碳纖維復絲密度由密度梯度管測定。

（5）拉伸速度：拉伸強度測試速度為10mm/min。彈性模量測試速度為2mm/min。

（6）夾具間距：試驗機夾具間距為150mm。

（7）自動浸膠機或手動浸膠制樣架：自動浸膠機或手動浸膠制樣架滿足碳纖維浸膠固化時可施加一定的張力以保證絲束中每根單絲平直，受力均勻，并且張力可調。

3 主要影響因素研究

3.1 樹脂體系

GB/T 3362—2005附錄A中提供的樹脂配方的斷裂伸長率分別為2.2%、2.3%和2.1%，高強型碳纖維（如T700、T800、T1000等）的斷裂伸長率已由T300的1.5%增加到2.0%，需要研究選用適宜的更高韌性的樹脂體系測試高強型碳纖維復絲的拉伸性能。現有標準推薦的樹脂體系吸濕性大，環境溫濕度對試驗結果影響大，樹脂體系選用的溶劑為丙酮等揮發性大、毒性大的易制毒試劑，屬于公安部門管控的危險化學品，購買審批和儲存管理有嚴格的要求。碳纖維復絲拉伸性能測試制樣過程選用丙酮作為溶劑的樹脂體系，易對人體造成傷害，對環境造成污染。

高強型碳纖維復絲拉伸性能測試過程一般選擇一種樹脂膠液配方及固化條件，控制相同的制樣條件，減少因制樣條件的變化引起數據波動。在框架上固定浸過膠的復絲，保證纖維在固化工藝中擁有相同和恒定的張力，確保纖維在試樣中與樹脂的固化條件統一，固化后試樣的含膠量和復合狀態相差很小，試樣粘貼加強片進行拉伸性能測試。通過比較拉伸性能指標的大小，來確定選用各試驗影響因素的適宜性。

高強型碳纖維復絲選用一定的樹脂體系浸膠制成碳纖維復絲拉伸試樣進行大量拉伸試驗，分析整理試驗數據，通過比較拉伸性能指標的大小，確定所選樹脂體系與高強型碳纖維的相容性和適宜性。

考慮高強型碳纖維的適用范圍，應根據樹脂本身的熱性能和力學性能選用與高強型碳纖維表面上漿劑相容性的樹脂體系、與高強型碳纖維斷裂伸長率相匹配的樹脂體系、在固化過程中不易吸潮且固化后具有較好耐熱性能的樹脂、環境友好型的水溶性樹脂體系進行浸膠試驗，減少丙酮等易揮發的有毒試劑對人體造成的傷害。

3.2 浸膠及固化

控制浸膠復絲的含膠量在合適的范圍，碳纖維浸膠固化時需要施加一定張力，張力大小對其強度也會有一定影響，樣品固化時施加合適的張力，可使纖維平行順直、增加纖維間抱合力、提高纖維的拉伸性能。針對高強型碳纖維復絲選用適宜的張力大小，過小纖維不平直，過大纖維受拉過量，通過張力可控的浸膠裝置實現。浸膠復絲固定在張力架上后，針對高強型碳纖維復絲選用適宜的固化條件，保證浸膠復絲固化充分且高溫固化過程對碳纖維本身拉伸性能沒有損傷。

樹脂配膠試驗后，選用張力可控、可計量的自動浸膠或手工浸膠法對碳纖維復絲進行浸膠固化，調節試驗過程中張力的大小，將不同固化張力大小的碳纖維試樣進行大量的拉伸試驗，分析整理試驗數據，分析固化張力大小對高強型碳纖維復絲拉伸性能指標的影響。浸膠過程中保證碳纖維在松弛狀態下充分浸膠，定量去掉多余的膠液，控制樹脂含量在標準要求范圍之內，然后進行固定纏繞，得到浸膠均勻、平滑的試樣，盡量避免試驗過程中人為因素對碳纖維浸膠復絲的影響。

浸膠復絲固定在張力架上后，參照選用樹脂提供的固化條件，用熱分析儀器DSC對樹脂體系進行熱分析研究，進一步確定樹脂的固化條件。選用幾個樹脂固化條件進行碳纖維復絲拉伸性能測試，比較拉伸性能指標的大小，確定適宜的固化條件，保證浸膠復絲固化充分且高溫固化過程對碳纖維本身拉伸性能沒有損傷。

3.3 試樣粘貼加強片

由于浸膠紗試樣有一定脆性，直接將試樣夾持到試驗機的夾具上會導致試樣斷在夾具內部，從而導致該試樣的試驗無效。GB/T 3362—2005規定1K和3K碳纖維復絲采用0.2mm～0.4mm厚的紙板；6K和12K采用1mm～1.5mm厚的紙板或金屬板。針對不同K數的高強型碳纖維選用適宜的加強片粘貼方式，使纖維斷裂過程斷裂規整，離散系數小，廢棄試樣少，真實高效地反映其本身拉伸性能。

對于加強片選用類型和粘貼加強片采用的方法，測試標準中都沒有明確的要求。加強片選用和粘貼不當，容易造成浸膠碳纖維復絲在拉伸過程中斷裂在加強片內或者夾具鉗口處。因此，結合已有試驗經驗，我們應對高強型碳纖維尤其是大K數高強型碳纖維，以加強片粘貼后絲束平整無凸起，加強片與絲束粘貼地方無多余膠珠，加強片粘貼選用粘貼膠液固化過程對浸漬碳纖維復絲性能無損傷等原則，選用適宜的加強片粘貼方式，將高強型碳纖維復絲試樣進行大量的拉伸性能測試，分析試驗數據，比較拉伸性能指標的大小，以達到粘貼加強片試樣斷裂規整的目的，確定適宜的加強片類型及加強片的粘貼方式，真實準確地反映其本身拉伸性能。

4 總結

通過對浸漬樹脂體系、浸膠及固化條件、試樣加強片的類型及粘貼方式等研究，選取與高強型碳纖維復絲拉伸性能相適宜的測試方法，減少碳纖維測試時試樣破壞模式不穩定、測試結果離散性大、測試結果受季節環境濕度影響，真實準確高效地提供碳纖維拉伸性能數據，指導碳纖維生產企業生產技術的發展，擴大碳纖維在下游各行各業的廣泛應用。

參考文獻：

[1]賀福. 碳纖維及石墨纖維[M]. 北京：化學工業出版社. 2010.

[2]楊延風， 張學軍， 田艷紅. 碳纖維復絲和單絲拉伸性能測試方法[J]. 理化檢驗-物理分冊， 2013，49（7）：441-443.