T800級碳纖維及復合材料性能對比研究

王芬，劉亮，劉府，陶珍珍，金亮

(中復神鷹碳纖維有限責任公司，連云港 222069)

0 引言

碳纖維是一種碳元素在90%以上的高強度特種纖維材料[1]。由于該材料具有高強、高模、耐腐蝕、耐疲勞、耐熱性，以及優良的導電、導熱等特性，常常被作為理想的增強和功能材料，被廣泛應用于航空航天等高科技領域及化工、電子、冶金、汽車、醫療和體育等民用領域[2-5]。此外，碳纖維在電子通信、石油開采、基礎設施等領域也有著廣泛的應用，主要用于放電屏蔽材料、防靜電材料、分離鈾的離心機材料、電池的電極等，在生化防護、臭氧去除、食品等領域也有出色的表現。

界面，是指纖維與基體之間化學成分有顯著變化且使二者彼此結合，并具有傳遞載荷作用的微小區域[6-8]。良好的界面結合可以提高復合材料的結構整體性，使載荷有效地從基體傳遞到纖維，對復合材料力學性能甚至起著決定性的作用[9-10]。特別是在潮濕環境及溫度等濕熱老化的協同作用下，界面往往最先被腐蝕從而導致復合材料力學性能明顯下降，故對復合材料纖維/基體界面匹配機理和影響因素展開深入研究非常必要。

T800級別碳纖維在經過高溫碳化處理后，非碳元素大量逸走，表面活性急劇降低，表面張力降低，導致錨定效應和浸潤性極差，復合材料的層間剪切強度(ILSS)低至50 MPa左右，已無法滿足實際應用要求[11]。通過對碳纖維進行表面改性，可以改善其表面活性以及基體的浸潤性，增強纖維與基體之間的相互作用，從而提高復合材料的力學性能[12]。碳纖維表面處理對其后續深加工的應用至關重要，尤其是隨著模量的提升，表面處理愈加重要[13]。碳纖維的表面處理方法很多，如氣相氧化法[14-18]、液相氧化法[19-21]、表面涂層法[22]、表面接枝法[23]等。其中液相氧化法中的陽極氧化法具有氧化程度易于控制、氧化過程溫和、氧化效果顯著等特點，并且處理時間短，能夠滿足連續生產的要求，成為目前國內外碳纖維生產線在線配套的主要方法。

本文針對三種高強中模T800級碳纖維的表面、界面狀態，物理化學特性及熱力學性能，通過纖維微觀形貌及復合材料界面力學性能研究，對比分析了三種纖維與樹脂復合后的性能表現，同時通過纖維復材的層間剪切的力學測試和微觀表征分析了三種纖維的界面性能，對了解T800級碳纖維微觀性能對復合材料宏觀力學性能的影響具有一定意義。

1 實驗材料與方法

1.1 原料

E44環氧樹脂、三乙烯四胺、4，4′-二氨基二苯砜、WP-S5001環氧樹脂、AG-80環氧樹脂、SYT55碳纖維(國產)，T800H級碳纖維(國外)，T800S級碳纖維(國外)。

1.2 主要設備及儀器

掃描電子顯微鏡：KYKY-2800型掃描電子顯微鏡。

萬能材料試驗機：AG-xplus 100KN，日本島津公司。

萬能材料試驗機：3365型，美國英斯特朗公司。

熱壓機：HBSCR-25T/350A型，青島華博機械科技有限公司。

熱風循環干燥箱：DRP-8804型，蘇州德瑞普烘箱制造有限公司。

1.3 試樣的制備

配制一定比例E44 ∶三乙烯四胺 ∶丙酮，在(23±2) ℃、相對濕度50%±10%的室內條件下，浸漬碳纖維復絲，并在烘箱中在120 ℃固化60 min，制備出碳纖維復絲，再粘貼加強片，測試復絲的拉伸強度和模量。

本文選用惠柏WP-S5001通用型樹脂，按照熱壓法制備出碳纖維體積分數大約為60%的復合材料板材。將一定比例的惠柏WP-S5001樹脂和丙酮混合均勻，倒入浸膠槽，通過濕法預浸料制備方法制備出面密度為200g/m2的單向預浸布，待丙酮揮發，裁剪預浸布鋪疊，放入模具，使用熱壓機分別制備出厚度約為1 mm和2 mm的碳纖維復合板材。

1.4 測試方法

含膠量測定：按照國標GB/T 29761—2013中方法附錄A索氏萃取法進行測定。

F/M摩擦系數測定：依據《碳纖維及石墨纖維》中摩擦系數測定方法測定，并對繞過的金屬棒根數做出調整，調整后測定更加方便省時，更利于生產檢測。修正后計算公式如下：

其中，T1=100 N。

碳纖維體密度測定：采用密度梯度管法對碳纖維對體密度進行的測試。

復材性能測試：使用日本島津AG-xplus 100kN萬能材料試驗機測試其纖維復合材料的拉伸、彎曲、壓縮及層剪性能，每組8個試樣。

復合材料拉伸性能：參照ASTM D 3039標準測定。

彎曲性能：參照ASTM D 7264/D 7264M-15標準測定。

壓縮性能：ASTM D 6641/D 6641 M-16標準測定。

層間剪切強度性能：參照ASTM D 2344標準測定。使用KYKY-2800型掃描電子顯微鏡觀察分析纖維表面、纖維直徑以及層間剪切截面。

2 結果與分析

2.1 碳纖維復絲性能及表觀分析

通過對三種T800級碳纖維的分析測試，SYT55與T800H級碳纖維的線密度較為接近，而T800S級碳纖維的線密度要比前兩者高兩倍多，這是由于T800S級碳纖維為24 K纖維，并非12 K；但三種碳纖維的體密度較為接近，證明三種碳纖維結構內部原纖排列的致密化程度基本一致[24]；SYT55與T800H級碳纖維含碳量均為96%，均要比T800S級碳纖維高，表明其石墨化更高；在灰分方面，SYT55級碳纖維為0.029%wt，T800H級碳纖維為0.088%wt，T800S級碳纖維為0.048%wt，表明SYT55級碳纖維具有更少的雜質，對制備高強度碳纖維更有利；在含膠方面，SYT55級碳纖維為1.21%wt，T800H級碳纖維為1.49%wt，T800S級碳纖維為1.3%wt；摩擦系數上，SYT55級碳纖維為0.274 9，T800H級碳纖維為0.217 9，T800S級碳纖維為0.269 8，說明纖維含膠高有利于減小摩擦系數。

表1 三種碳纖維的性能表觀分析

表2結果表明：SYT55碳纖維復絲拉伸強度為6 100 MPa，而T800H級碳纖維的復絲拉伸強度僅為5 490 MPa，T800S級碳纖維的強度比T800H級碳纖維要高，但比SYT55級碳纖維低214 MPa；在模量上，三者相差很小；纖維斷裂延伸率測試結果顯示T800H級碳纖維的斷裂韌性低于同級別另外兩種碳纖維。

表2 三種碳纖維的拉伸性能及體密度

圖1為三種碳纖維的表面微觀形貌，明顯可以看出T800H級碳纖維表面具有較深的溝槽，但溝槽均勻、連通無斷裂。T800H級碳纖維采用濕法紡絲工藝制備，纖維表面粗糙度較大，但是通過對紡絲工藝控制能夠實現纖維表面溝槽的均勻化，受力過程中不會產生明顯的應力集中點而影響纖維力學性能；另一方面，纖維表面均勻的溝槽與樹脂基體之間能夠產生較強的“機械嚙合力”，有利于提高復合材料的界面性能[25]。T800S級和SYT55級碳纖維則顯示出典型的干噴濕紡工藝特征，表面比較光滑。

圖1 三種碳纖維的表面形貌

表3為通過SEM電鏡測得的三種碳纖維的直徑，結果表明T800H級碳纖維直徑最大，為5.93 μm，SYT55級碳纖維直徑為5.28 μm。

表3 SEM測得三種碳纖維的直徑

綜上所述，T800同級別碳纖維，國產SYT55級碳纖維達到同等級國外碳纖維水平，在拉伸強度方面要優于T800H和T800S級碳纖維；T800H級碳纖維在強度上較低，受限于濕法紡絲工藝，強度和模量已達高強中模水平。

2.2 復合材料力學性能分析

為了進一步分析纖維性能，我們通過復合材料性能來評價纖維性能指標。表4～表7和圖2比較了三種復合材料單向板0 °拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度及層間剪切強度。在樹脂基體相同的條件下，SYT55級碳纖維復合材料單向板0 °拉伸強度遠高于T800H級碳纖維，達到3096 MPa；SYT55級碳纖維和T800S級碳纖維復合材料單向板0 °拉伸強度相差較小。

表4 碳纖維復合材料拉伸性能比較

表5 碳纖維復合材料彎曲性能比較

表6 碳纖維復合材料壓縮性能比較

表7 碳纖維復合材料層剪性能比較

圖2 SYT55、T800H、T800S級碳纖維復合材料單向板強度對比

SYT55級碳纖維復合材料單向板0 °彎曲強度高于T800S和T800H級碳纖維。其中，SYT55級碳纖維壓縮強度相比于T800S和T800H級碳纖維分別提高了5%和2.3%，層間剪切強度分別降低了2.2%和0.2%。但復合材料單向板彎曲受力狀態是拉伸、壓縮及層間剪切三種作用的綜合體現，其中SYT55級碳纖維較高的拉伸和壓縮強度補償了層剪強度較低對彎曲性能的影響，最終呈現出SYT55級碳纖維的彎曲強度比T800S和T800H級碳纖維高出2.9%和4.6%。三種碳纖維比較，SYT55級碳纖維表現出最優的拉伸-壓縮匹配性，非常有利于復合材料綜合力學性能的發揮，適用于制備復雜載荷環境下的承力構件。

圖3是三種碳纖維復合材料的0 °拉伸、壓縮及彎曲模量的測試結果。相比于T800H和T800S級碳纖維復合材料體系，SYT55級碳纖維的拉伸、壓縮及彎曲模量分別提高了8%～12%、28%～36%和20%。SYT55級碳纖維復合材料擁有較高的模量特性，能夠更好地滿足航天器材的設計要求。

圖3 SYT55、T800H、T800S級碳纖維復合材料單向板模量對比

2.3 碳纖維表面處理評價

ILSS是定量評價表面處理最好的方法之一，也是國內外通用的方法，為了進一步分析三種T800級碳纖維的表面性能，本實驗使用AG-80樹脂，按照GB/T 30969—2014《聚合物基復合材料短梁強度試驗方法》，對三種T800級碳纖維進行層剪測試，評判其表面處理效果。ILSS的計算公式[11]如下：

式中：P——斷裂載荷,N；

b——樣品寬度,mm；

d——樣品厚度，mm。

圖4為三種碳纖維/AG-80體系層剪強度測試結果。AG-80樹脂富含羧基，是評價碳纖維表面處理效果方法——ILSS使用最廣泛的樹脂。通過圖4可以得出：三種碳纖維的ILSS均達到95 MPa以上，表明其經過了表面處理；橫向比較兩種干法絲SYT55和T800S級碳纖維，二者都是干噴濕紡，表面光滑，在與樹脂結合時缺少機械嚙合力。但經過表面處理后，T800S級碳纖維的層剪強度僅達到99 MPa，而SYT55級碳纖維的層剪強度高達115 MPa。這說明SYT55級碳纖維的表面處理效果要遠優于T800S級碳纖維；縱向比較干法絲SYT55級碳纖維和濕法絲T800H級碳纖維，干法絲相較濕法絲表面粗糙度低、比表面積小，與樹脂結合時的錨定效應差，而SYT55級碳纖維的ILSS略高于T800H級碳纖維。這表明國產干法絲SYT55級碳纖維經過表面處理后，其層剪性能達到同級別國外濕法碳纖維表面處理后的層剪水平[26-27]。

圖4 三種碳纖維ILSS

圖5 三種碳纖維剪切斷裂形貌

圖5為三種碳纖維剪切斷裂形貌，從圖中可以看出三種碳纖維的剪切斷面均較平滑，體現出一種強粘結的現象，這是由于表面羧基含量較高，增強了化學鍵合力，表明三種碳纖維均經過了表面處理。但T800S級碳纖維斷裂切口處樹脂連接穩定，裂紋較少；SYT55與T800H級碳纖維的層間剪切破壞斷面上存在裂紋，且沒有明顯的纖維拔出現象。樹脂散裂有效地增加了力的傳導途徑，提升了兩相界面間的強相互作用，提高了界面層的強度和韌性，也就進一步提高了復合材料的ILSS[12]。雖然SYT55級碳纖維是采用干噴濕紡工藝，但層間剪切強度高達115 MPa，破壞斷面較優，表明其有較好的表面處理效果，與樹脂結合程度較優；T800H級碳纖維一方面因濕法絲擁有豐富的溝槽，大大增加了比表面積，提升了機械作用的嚙合力；另一方面其表面處理效果較佳，所以雖然拉伸強度較低，但層間剪切強度卻高于T800S級碳纖維。

綜上所述：SYT55和T800H級碳纖維表面處理效果較好，界面性能較優；T800S級碳纖維略差，SYT55級碳纖維的ILSS強度評價最好，具有優異的力學性能和結構效率。

3 結論

(1)通過對SYT55、T800H和T800S級碳纖維力學性能及表面形貌的對比研究，國產干法絲SYT55級碳纖維達到同等級進口水平，在拉伸強度方面要優于濕法絲T800H級碳纖維和干法絲T800S級碳纖維；模量方面，三種絲相差很小；SYT55級碳纖維的伸長率為2.1%，要略高于T800H和T800S級碳纖維。SYT55和T800S級碳纖維的SEM圖片顯示纖維表面光滑，表明其是干噴濕紡絲；T800H級碳纖維表面溝槽密布，是濕法絲的特征。SYT55級碳纖維的直徑要比T800S和T800H級碳纖維略低，三種絲的直徑均在6 μm以內。

(2)復合材料單向板評價中，T800H級碳纖維的表面溝槽利于提高復合材料界面性能，但也損耗了纖維強度；SYT55級碳纖維拉伸、壓縮、彎曲性能要優于T800S和T800H級碳纖維，表現出良好的拉伸-壓縮匹配性，并且模量較高，滿足航天級復材構件的剛度設計要求。

(3)通過碳纖維表面處理評價，SYT55級碳纖維的ILSS為115 MPa，斷裂截面效果較好，表明其表面處理效果比較理想；T800S級碳纖維由于較差的表面處理，較高的拉伸強度未能得到發揮，ILSS較低；T800H級碳纖維的ILSS為106 MPa，界面性能也較優。

(4)通過復材單向板和表面處理的綜合評價分析，SYT55級碳纖維具有優異的力學性能和結構效率，更適合用于復雜載荷環境下的復合材料承力部件。