表面處理對碳纖維束拉伸性能與強度分布的影響

孟志新 譚志勇 周影影

摘 ? ? 要：為了探究表面處理工藝對C纖維束拉伸性能的影響，采用化學氣相沉積（CVD）制備熱解炭（PyC）層和熱處理以及兩者相結合的方法對C纖維束進行處理，并測試了處理前后C纖維束的拉伸性能和強度分布。實驗結果表明：在C纖維表面沉積PyC層降低了纖維束的拉伸性能與強度穩定性。對C纖維束進行熱處理改善了纖維束的拉伸性能和強度穩定性，并在1 800 ℃均達到了最大值。隨著熱處理溫度的升高，C纖維束的拉伸斷裂方式逐漸由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。采用沉積PyC層以及沉積PyC層和熱處理相結合的方式處理的C纖維束均以脆性方式斷裂。

關 ?鍵 ?詞：C纖維束;化學氣相沉積;熱處理;拉伸性能;強度分布

中圖分類號：TQ 342 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1561-05

Abstract： ?In order to explore the influence of surface treatment process on the tensile properties of carbon fiber bundles， pyrocarbon （PyC） layer fabricated by chemical vapor deposition （CVD）， high temperature heat treatment and the combination treatment processes of the former two were applied to treat carbon fiber bundles. The tensile properties and strength distribution of carbon fiber bundles before and after treatment were tested. The experimental results showed that the deposition of PyC layer on the surfaces of carbon fibers reduced the tensile properties and strength stability. The tensile properties and strength stability of carbon fiber bundles were improved by high temperature heat treatment， which reached the maximum values at 1 800 ℃. With the increase of heat treatment temperature， the tensile fracture mode of carbon fiber bundles gradually changed from ductile fracture to brittle fracture. The carbon fiber bundles treated by the deposition of PyC layer or the combination of deposition of PyC layer and heat treatment were all fractured in a brittle mode.

Key words： Carbon fiber bundle; Chemical vapor deposition; Heat treatment; Tensile property; Strength distribution

連續纖維增韌陶瓷基復合材料（CMC）作為新一代熱結構材料，具有耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化、抗腐蝕以及對裂紋不敏感和不發生災難性損毀等一系列優異的性能，在航空、航天、能源等領域顯示出了不可替代的優勢和廣泛的應用前景[1-10]。研究表明，CMC的力學性能不僅取決于纖維與基體的固有特性，而且還取決于纖維與基體之間的結合強度[3， 11-14]。只有當纖維和基體的結合強度適中時，才能使纖維既能有效承載，又能在斷裂過程中通過脫黏、拔出等形式消耗能量，以實現對 CMC 的強韌化。在CMC 中，通常采用在纖維與基體之間引入界面相的方法來控制兩者之間的結合強度。因此，界面相是CMC中所特有的也是極為重要的微結構單元，更是優化設計的核心內容之一，其組成、結構、性能與CMC的力學性能和破壞行為有著密切的關系[3，11-18]。

在CMC中，具有層狀結構的熱解炭（PyC）是最常用的界面相材料之一 [3，11，19-20]。對于PyC界面相的研究主要集中在兩個方面，一方面是界面相厚度，另一方面是界面相結構。有關PyC界面相厚度的研究發現[21-32]，無論是C纖維還是SiC纖維增韌的CMC，沒有PyC界面相時，復合材料發生典型的脆性斷裂;有PyC界面相時，復合材料具有非脆性斷裂的特征，并且界面相厚度適中時，復合材料表現出了良好的力學性能。就PyC界面相結構而言，一方面主要是針對C/SiC復合材料，通常是在沉積SiC基體前對沉積有PyC界面相的纖維預制體進行熱處理（前熱處理），或者對沉積SiC基體后的復合材料進行熱處理（后熱處理）[25];另一方面是引入第二相，與PyC交替形成多層結構，其中最為典型的是（PyC-SiC）n 多層結構界面相[11， 33-36]。研究結果發現，前熱處理C/SiC復合材料的彎曲強度和斷裂韌性都顯著提高，后熱處理C/SiC復合材料的彎曲強度發生了降低，而斷裂韌性隨熱處理溫度的升高而發生波動[25];多層結構的界面相為裂紋擴展和偏轉提供了更多的通道，有利于消耗斷裂能，因此復合材料的力學性能均有所改善[11， 33-36]。

由此可見，針對PyC界面相的研究，更多的主要是以復合材料整體為對象。然而，纖維作為復合材料中重要的微結構單元，其對復合材料的重要性是不言而喻的。因此，針對PyC界面相對纖維力學性能影響的研究是十分值得關注的。為此，本文采用PyC層、熱處理以及兩者相結合的工藝對C纖維束進行處理，分析處理前后的拉伸性能、強度分布以及拉伸斷裂行為，以探討PyC層和熱處理對C纖維束力學性能和強度分布的影響。

1 ?試驗材料與方法

本文所用纖維是日本東麗公司生產的1k T-300 C纖維，對C纖維束采用的表面處理工藝如表1所示。表1中工藝提到的熱處理溫度分別為1 400、 ? 1 500、1 600、1 700、1 800、2 000 ℃，時間均為1 h。在C纖維表面采用CVD制備PyC層的工藝如下：源物質為丙烯（C3H6），氬氣（Ar）為稀釋氣體，沉積溫度為900 ℃。

處理前后C纖維束的力學性能參照美國標準ASTM D 3379-75和日本工業標準JISR7601-1980在室溫條件下進行測試。測試設備為Instron 3345型（Instron Ltd.，High Wycombe，England）電子萬能實驗機。拉伸加載速度為0.2 mm·min-1，拉伸標距為50 mm，每個處理工藝的測試數量為20。

2 ?試驗結果與討論

2.1 ?拉伸性能與強度分布

不同處理工藝條件下C纖維束的拉伸性能和Weibull強度分布統計量見表2。

同時，熱處理溫度對不同表面處理工藝條件下C纖維束拉伸性能的影響如圖1所示。由表2和圖1可以看到，采用工藝一處理的C纖維束，其拉伸強度、Weibull模數以及延伸率和斷裂功分別比原始C纖維束降低了67%、56%、68%和93%。可見，在C纖維表面沉積PyC層降低了纖維束的拉伸性能和強度穩定性。當C纖維表面沉積PyC層后，會在纖維表面引入額外的缺陷，并且缺陷尺寸通常與PyC層厚度在同一個數量級。在這種情況下，C纖維強度將由PyC層厚度和C纖維表面臨界缺陷尺寸兩者中尺寸最大的一個所決定。研究表明，C纖維表面臨界缺陷尺寸一般在17 nm以下[37]，而本文中制備的PyC層厚度約為100～200 nm，遠大于C纖維的臨界缺陷尺寸，這導致沉積PyC層后C纖維強度發生了下降。采用工藝二處理的C纖維束，其拉伸強度均高于原始C纖維束的拉伸強度，同時其拉伸強度在1 400 ℃到1 800 ℃之間隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 800 ℃時達到了最大值1 657.49 MPa，而在2 000 ℃時略有降低。其Weibull模數在1 400 ℃、1 500 ℃和2 000 ℃時均低于原始C纖維束的Weibull模數，而在1 600 ℃、1 700 ℃和1 800 ℃時均高于原始C纖維束的Weibull模數;同時，其Weibull模數除了在1 500 ℃和2 000 ℃時發生降低之外均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 800 ℃時達到了最大值32.85。其延伸率也均大于原始C纖維束的延伸率，其延伸率除了在1 600 ℃和2 000 ℃時發生降低之外均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 800 ℃時達到了最大值1.16%。其斷裂功也均大于原始C纖維束的斷裂功，且隨著熱處理溫度變化的規律與強度隨熱處理溫度的變化規律相同，在1 800 ℃達到的最大值為10.17 MJ·m-3。由此可見，對C纖維束進行熱處理可改善C纖維束的拉伸性能和強度穩定性，并在1 800 ℃達到了最大值。

采用工藝三處理的C纖維束，其拉伸強度均高于原始C纖維束的拉伸強度;同時，其拉伸強度在1 600 ℃之前隨著熱處理溫度的升高而增大，并在 1 600 ℃達到了最大值1 475.45 MPa，而在1 600 ℃之后隨著熱處理溫度的升高而降低。其Weibull模數在1 500 ℃時高于原始C纖維束的Weibull模數，而在其余溫度均低于原始C纖維束的Weibull模數;同時，其Weibull模數除了在1 500 ℃和1 800 ℃升高之外，在其余溫度均隨著熱處理溫度的升高而降低。其延伸率在 1 600 ℃時高于原始C纖維束的延伸率，而在其余溫度均低于原始C纖維束的延伸率;同時，其延伸率在1 600 ℃之前除了在1 500 ℃有所降低之外均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 600 ℃達到了最大值1.08%，而在1 600 ℃之后隨著熱處理溫度的升高而降低。其斷裂功在 ? ? 1 400 ℃、1 500 ℃和2 000 ℃時低于原始C纖維束的斷裂功，而在1 600 ℃、1 700 ℃和1 800 ℃時高于原始C纖維束的斷裂功;同時，其斷裂功隨熱處理溫度變化的規律與延伸率隨熱處理溫度變化的規律相同，在1 600 ℃時達到的最大值為7.45 MJ·m-3。由此可見，對C纖維束先進行熱處理然后再沉積PyC層可提高C纖維束的拉伸強度，并且C纖維束的拉伸性能和強度穩定性分別在1 600 ℃和1 500 ℃時達到了最大值。

采用工藝四處理的C纖維束，其拉伸強度在 ? 1 700 ℃和1 800 ℃時高于原始C纖維束的拉伸強度，而在其余溫度均低于原始C纖維束的拉伸強度;同時，其拉伸強度在1 400 ℃到1 800 ℃之間隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 800 ℃達到了最大值982.92 MPa，而在2 000 ℃時發生了降低。其Weibull模數、延伸率以及斷裂功均小于原始C纖維束;同時，其Weibull模數隨著熱處理溫度的升高而呈現出波浪狀變化的規律，并在2 000 ℃時達到了最大值11.24;其延伸率在1 400 ℃和1 700 ℃之間隨著熱處理溫度的升高而增大，在1 700 ℃時達到了最大值0.72%，在1 800 ℃和2 000 ℃時均為0.7%;其斷裂功隨熱處理溫度變化的規律與拉伸強度隨熱處理溫度變化的規律相同，且在1 800 ℃達到了最大值3.28 MJ·m-3。由此可見，對C纖維束先沉積PyC層再進行熱處理時，C纖維束的拉伸強度和斷裂功在1 800 ℃時達到了最大值，而延伸率和強度穩定性分別在1 700 ℃和2 000 ℃達到了最大值。

由表2和圖1也可以看到，采用工藝二、工藝三以及工藝四處理的C纖維束的拉伸性能均高于采用工藝一處理的C纖維束，并且采用工藝二和工藝三處理的C纖維束的拉伸性能均高于采用工藝四處理的C纖維束。對于采用工藝二處理的C纖維束，其拉伸強度只有在1 400 ℃和1 600 ℃時低于工藝三處理的C纖維束，其延伸率只有在1 600 ℃時低于工藝三處理的C纖維束，其斷裂功均高于采用工藝三處理的C纖維束。此外，C纖維束的強度穩定性也是在采用工藝二處理的1 800 ℃達到了最大值。

綜上所述，就提高C纖維束的拉伸性能而言，對C纖維束進行熱處理是最有效的途徑。

2.2 ?斷裂行為

不同處理工藝條件下C纖維束的拉伸應力-位移曲線如圖2所示。為了可以清晰地對比，分別將圖中的曲線向右作了平移。由圖2（a）可以看到，原始C纖維束的拉伸應力-位移曲線表現出韌性斷裂的特征，整個拉伸斷裂過程是漸進發生的。隨著熱處理溫度的升高，C纖維束的拉伸斷裂方式逐漸由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。當熱處理溫度小于等于1 700 ℃時，C纖維束的拉伸斷裂方式表現為韌性斷裂的特征。當熱處理溫度高于1 700 ℃時，C纖維束的拉伸斷裂方式表現為脆性斷裂的特征。由圖2 （b）和（c）可以看到，經過工藝一、工藝三和工藝四處理的C纖維束，其拉伸斷裂方式均為脆性斷裂。

3 ?結 論

本文研究了不同表面處理工藝條件下C纖維束的拉伸性能，得出如下結論：

1）在C纖維表面沉積PyC層降低了纖維束的拉伸性能與強度穩定性。

2）對C纖維束進行高溫熱處理提高了C纖維束的拉伸性能和改善了強度穩定性，拉伸性能和強度穩定性在1 800 ℃達到了最大值。同時，該方法也是提高C纖維束拉伸性能最有效的方法。

3）對C纖維束進行高溫熱處理時，隨著熱處理溫度的升高，C纖維束的拉伸斷裂方式逐漸由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。采用先熱處理再沉積PyC或先沉積PyC再進行熱處理工藝處理的C纖維束均以脆性方式斷裂。

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