國產CCF700-12K碳纖維及其復合材料的性能研究

張 芳 殷永霞 夏英偉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

高強型碳纖維及其復合材料具有高比強度、性能／功能可設計、良好的尺寸穩定性、良好的耐空間環境等多種優異性能，在我國衛星、航天器結構上得到廣泛應用，是衛星各級主次結構和遙感載荷的主要原材料，也是未來航天材料發展的趨勢［1-4］。

目前，國外以日本東麗公司為代表的多家碳纖維生產廠家研制的高強碳纖維已達到相當高的水平。我國航天航空領域應用的大量的高強度碳纖維主要依賴于進口，但國外已開始對我國實行高強高模先進碳纖維的禁運。為了擺脫關鍵材料受制于人的局面，近年來國家開始加大國產碳纖維的投入力度，大力支持軍品材料配套項目的自主研制，促進國產高強碳纖維研制快速發展［5-8］。

本文以某重要型號產品高強碳纖維材料國產化為研究背景，以國產CCF700-12K碳纖維為研究對象，分別研究了CCF700-12K碳纖維的性能、CCF700-12K／F46復合材料的力學性能、耐空間環境性能以及熱性能，各項性能均滿足復合材料結構工程應用要求，為國產CCF700-12K碳纖維在航天航空領域的應用奠定了堅實的基礎。

1 實驗

1.1 原材料

環氧樹脂，F46，上海樹脂廠有限公司；高強碳纖維，CCF700-12K，威海拓展纖維有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 CCF700-12K／F46無緯布制備

選用國產高強碳纖維CCF700-12K和環氧F46分別作為增強材料和樹脂基體，采用常規的濕法輥筒式排布法，根據CCF700-12K碳纖維的線密度設置排布機螺距為3.68 mm，制備面密度為（216±3）g／m2，含膠量為（38±3）%，揮發份含量≤2%，厚度為0.2 mm的預浸無緯布。

1.2.2 CCF700-12K／F46單向板制備

將厚度為0.2mm的CCF700-12K／F46無緯布預浸料裁剪成尺寸為500 mm×500 mm的單向布，參照Q／WB150—2002《碳纖維／環氧樹脂復合材料層合板制備工藝規范》，采用手工鋪層（確保纖維角度偏差不超過±1°），真空袋-熱壓罐成型方式制備厚度為2 mm的單向板。脫模后按照力學性能、熱性能和耐空間環境性能測試標準加工成測試用的標準試件。

1.3 性能測試

1.3.1 CCF700-12K碳纖維性能測試

參照《航天器常用非金屬材料復驗規定》（Q／W—Q—70—3003—2012），對國產CCF700-12K碳纖維的外觀質量、線密度、拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率等性能進行測試。

1.3.2 CCF700-12K／F46復合材料單向板性能測試

1.3.2.1 單向板力學性能測試

國產CCF700-12K／F46復合材料單向板0°拉伸強度、模量和泊松比按照《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》（GB／T3354—2014）測試；彎曲強度、彎曲模量按照《定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》（GB3356—2014）測試；層間剪切強度按照《纖維增強塑料 短梁法測定層間剪切強度》JC／T773—2010測試。

1.3.2.2 耐帶電粒子輻照測試

國產CCF700-12K／F46復合材料單向板耐帶電粒子輻照試驗條件為總吸收劑量為2.25×104GY（Si）（按試驗規范考慮3倍余量）；模擬源為電子加速器、質子加速器或γ源（60Co）。試驗完成后，按照上述單向板力學性能測試標準測試CCF700／環氧0°單向板輻照前后彎曲強度、彎曲模量和層間剪切強度。

1.3.2.3 真空條件下材料質量損失和可凝揮發物測試

國產CCF700-12K／F46復合材料單向板真空條件下材料質量損失和可凝揮發物試驗分別參照QJ1558—1988《真空中材料揮發性能測試方法》和QJ1371—1988《真空中材料可凝揮發物測試方法》進行。真空試驗測試前需對試件進行預處理，預處理的條件為在45%的濕度條件下放置3天。測試時，樣品室的溫度為（125±1）℃，搜集板的溫度為（25±1）℃，真空度優于7 mPa，測試時間24 h。測試其總質量損失（TML）、收集到的可凝揮發物（CVCM）和水蒸氣回收量（WVR）。

1.3.2.4 熱性能測試

按照GJB 330A—2000《固體材料60-2 773 K比熱容測試方法》測試CCF700-12K／F46復合材料比熱容，采用美國Solar Spectrum Reflectometer Devices＆Services Co.吸收率測試設備和AE-RD1發射率測試儀進行吸收率和發射率測試。

2 結果與討論

2.1 國產CCF700-12K碳纖維性能

表1為國產CCF700-12K碳纖維性能測試結果，由此可見國產CCF700碳纖維外觀質量良好、纖維束粗細均勻，纖維束間無粘連，無外來物，無毛絲團，CCF700-12K碳纖維的拉伸強度為4 706 MPa，彈性模量為268 GPa，斷裂伸長率為1.76，線密度為802 g／km，纖維的各項性能均滿足要求。這說明國產CCF700-12K碳纖維研制生產過程中采用的原絲性能良好，工藝過程控制穩定。

2.2 國產CCF700-12K／F46復合材料單向板性能

表2為國產CCF700-12K／F46和進口T700／F46單向板力學性能測試結果，由此可見，國產CCF700-12K／F46復合材料單向板0°拉伸強度、0°拉伸模量、彎曲模量、層間剪切強度均高于進口T700／F46復合材料單向板。試驗采用的基體材料相同均為環氧F46樹脂，增強材料分別為進口高強碳纖維T700和國產CCF700，其力學性能不同的主要原因為纖維表面使用的上漿劑不同，從而造成樹脂對這兩種纖維的潤濕性不同，國產CCF700碳纖維與環氧F46的界面結合力高于進口T700碳纖維與環氧F46的界面結合力。

2.3 CCF700-12K／F46復合材料耐帶電粒子輻照試驗結果

CCF700-12K／F46復合材料經帶電粒子輻照前后力學性能數據如表3所示，由此可見，經帶電粒子輻照后彎曲強度變化-6.19%，彎曲彈性模量變化-6.76%，層間剪切強度變化-5.17%，力學性能均有所下降。這是由于樹脂基體受真空電子輻照后表面局部化學鍵斷裂，使復合材料界面局部脫粘，從而導致界面強度略有降低［9］。

表3 帶電粒子輻射前后CCF700單向板的力學性能Tab.3 M echanical properties of CCF700 unidirectional plates before and after charged particle irradiation

2.4 真空條件下材料質量損失和可凝揮發物試驗結果

從表4可以看出CCF700-12K／F46復合材料總質量損失0.21%、可凝揮發物含量0.001%、水蒸汽回收量0.110%，均滿足指標要求。說明CCF700-12K／F46復合材料在真空條件下有質量損失，質量損失是復合材料所吸附的水分及復合材料制備時殘留的微量有機溶劑在真空環境下逐漸揮發所導致的［10］。

表4 CCF700單向板材料真空性能測試數據Tab.4 Vacuum performance test data of CCF700 unidirectional p latematerial

2.5 CCF700-12K／F46復合材料熱性能

CCF700-12K／F46復合材料的比熱容、發射率以及吸收率數據見表5所示。從表中可以看出CCF700-12K／F46復合材料的比熱容隨著溫度的升高而升高，CCF700-12K／F46復合材料的發射率為0.838，吸收率為0.928。

表5 CCF700-12K／F46復合材料熱性能測試數據Tab.5 Thermal performance test data of CCF700-12K／F46 composite

3 結論

（1）國產CCF700-12K碳纖維性能滿足《航天器常用非金屬材料復驗規定》（Q／W—Q—70—3003—2012）要求，拉伸強度為4 706 MPa，彈性模量為268 GPa，斷裂伸長率為1.76，線密度為802 g／km。

（2）采用國產CCF700-12K碳纖維作為增強材料，環氧F46作為樹脂基體，制備的無緯布鋪層、裁剪、模壓等工藝可行性良好，制備出的單向板平整、厚度均勻，內部結構致密、無疏松現象，其拉伸強度1 958.8 MPa，拉伸模量144.79 GPa，且其余力學性能均能夠滿足要求。

（3）國產CCF700-12K碳纖維復合材料耐空間環境性能和熱性能良好，能夠滿足型號產品的需求。