T700碳纖維復合材料預浸料微波固化試驗

王春文，常新龍，胡 寬，張 青，張有宏，王 偉

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

隨著科學技術的不斷革新和發展，碳纖維復合材料的使用范圍也變得越來越廣泛，例如航空航天、交通運輸、汽車與造船等領域[1-2]。然而，碳纖維復合材料的傳統固化方法存在著固化產物質量不均勻、溫度梯度大、固化周期長等問題[1-2]。微波固化技術的出現為解決上述問題提供了解決方案。在碳纖維復合材料固化方面，微波固化技術因其獨特的加熱機理使得固化過程加熱均勻，固化效率大大提高，固化產物的性能得到了改善。為推進微波固化技術的工業化應用，國內外研究者采取眾多的研究方法對微波固化產物的性能進行了研究。Joshi等通過研究發現微波固化與熱固化結合的方法比采用高壓釜固化快2.5倍，能量消耗僅為高壓釜固化的1/4，而且產物的拉伸和彎曲性能要優于高壓釜固化產物的相關性能[3]。國內的研究者通過改造現有熱固化設備，在傳統的熱固化設備高壓罐中引入微波，也得到了相比于傳統高壓釜固化力學性能更好的產物[4-5]。國內的李迎光等研究者針對微波難以穿透和加熱多向碳纖維增強樹脂基復合材料的問題展開了研究，并提出了一種利用金屬條激發垂直穿透微波的新方法，可以直接加熱多向碳纖維增強聚合物復合材料[6]。陳平[7]和馬仁利[8]等通過研究發現微波固化技術不僅會縮短固化時間而且不會改變產物內部結構。張青等通過改進微波固化工藝得到了孔隙率更低的產物，而且力學性能與熱固化產物基本相當[9]。王大為等通過改進改性雙馬樹脂及復合材料的微波固化工藝，得到了與熱壓罐工藝性能相當的固化產物[10]。梳理文獻發現，國內在對微波固化過程中材料的各項性能進行實時監測進而解釋微波固化產物性能變化方面報道較少。為進一步研究微波固化過程中材料溫度變化以及應變變化對材料性能的影響，本文使用相同的固化工藝分別對層合板進行熱固化以及微波固化實驗，利用T700碳纖維復合材料預浸料制作層合板試件，在試件中埋入FBG傳感器和熒光光纖傳感器，監測層合板的微波固化過程以及熱固化過程，通過對微波固化和熱固化后試件的溫度分布、應變變化進行對比分析以及分別對其進行DSC測試和拉伸性能測試，研究碳纖維復合材料預浸料微波固化后的力學性能變化及其機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料和設備

威海光威復合材料公司生產的單向T700碳纖維預浸布是本次試驗的原材料，厚度為0.2 mm，纖維單位面積質量100 g/m2，樹脂含量30%。傳感器選擇FBG傳感器和熒光光纖傳感器；選用METTLER TOLEDO公司的DSC822型DSC測試儀測試固化產物的固化度；選用深圳新三思材料檢測公司的CMT 5205型電子萬能試驗機開展拉伸試驗；選用重慶銀河試驗儀器有限公司的熱固化試驗設備LR016型電烘箱開展熱固化試驗；微波固化裝置頻率為2.45 GHz，功率為 10 kW，自研制。

1.2 光纖埋入與固化工藝

為了監測固化過程中的溫度均勻度和應變變化，將FBG傳感器(S1，S2，T1，T2)分為兩組，其中T1與T2分別用毛細玻璃管封裝。首先對試驗用的FBG傳感器進行熱敏感系數和應變敏感系數的測定，本文依據文獻[11]中提供的試驗方法對本文所用的FBG傳感器進行了熱敏感系數和應變敏感系數的標定，經多組試驗測試得到的應變敏感系數為1.2 pm/με，熱敏感系數如表1所示。

表1 FBG傳感器的熱敏感系數

將分組后的FBG傳感器垂直于纖維方向分別埋入200 mm×250 mm×3 mm的熱固化和微波固化單向[0，15]碳纖維復合材料層合板，FBG最終的鋪設方式為[O7，FBG，O8]。同時，為監測碳纖維復合材料層合板表面微波固化過程中的溫度變化，將三根熒光光纖傳感器(Y1，Y2，Y3)等距地粘貼在層合板表面A、B、C三點處。圖1所示為傳感器在微波固化試件中的位置。

圖1 微波固化試件中傳感器放置示意圖

層合板的熱固化工藝為80 ℃/1 h+120 ℃/1.5 h，升溫速率為1 ℃/min。對層合板進行微波固化時，保溫溫度和時間與熱固化一致，升溫速率通過改變微波功率來控制。熱固化與微波固化過程中均采用真空袋輔助施壓來對固化過程加壓，以保證固化產物性能。圖2所示為真空袋輔助系統示意圖。圖3所示為層合板正在微波固化。

圖2 真空袋輔助系統示意圖

圖3 固化過程中的層合板

1.3 性能測試

1) DSC測試：以未固化的層合板為參考，分別對熱固化試件和微波固化試件進行固化度測試。具體方法為：升溫速率10 ℃/min，溫度變化范圍25～300 ℃，氮氣氣氛，50 mL/min。

2) 拉伸性能測試：依據國標( GB/T 3354—2014)制作相應的拉伸試件并進行拉伸性能測試。

2 結果與分析

2.1 微波加熱機理

微波對碳纖維復合材料的加熱機理與常規的加熱方式不同。碳纖維復合材料常規的加熱方式是通過外部熱源產熱，熱量以熱傳導的方式傳遞給被加熱物體，使得碳纖維復合材料固化[1]。微波對碳纖維復合材料的加熱是“體加熱”。微波作用于碳纖維復合材料，使得碳纖維復合材料自身產熱，加熱效率比常規的加熱方式有了很大的提升[2]。微波加熱碳纖維復合材料的熱源主要有兩個：一是微波對碳纖維復合材料樹脂基體的作用。在碳纖維復合材料的樹脂基體中存在大量的極性分子。極性分子在變化的電場中會發生轉向極化，直至與電場方向一致。微波場中，無序排列的極性分子在方向和大小交替變化的電磁場的作用下，不間斷的進行轉向極化，在極化過程中極性分子之間相互碰撞摩擦，將電磁能轉化為熱能[2]。二是由于碳纖維具有較高的介電性能，微波場作用于碳纖維使其產生感應電流，電流流經介質引起介質發熱，將熱量傳遞給周圍的樹脂基體，從而加熱樹脂基體[2]。以上兩項熱源使得微波加熱比常規加熱速率更快，也使得微波加熱物體均勻性更好。

2.2 固化過程中的溫度變化分析

如圖4所示，在第一保溫平臺上，微波固化和熱固化的溫度變化沒有明顯差異。第二升溫階段，微波固化試件與熱固化試件的升溫曲線較為一致。當達到 120 ℃保溫平臺時，熱固化試件的溫度繼續上升直至130 ℃，而后降至120 ℃保溫。與熱固化試件相對比，微波固化試件在保溫階段溫度有一定起伏變化。對以上現象進行分析認為，在熱固化過程中由于熱傳導的加熱方式，在試件達到保溫溫度時，電烘箱的腔體溫度并未達到相應的保溫溫度，電烘箱仍然繼續工作，因此，熱固化過程出現了130 ℃的峰值溫度。在第二保溫階段，熱固化在保溫后期的溫度較為穩定，微波固化溫度上下波動。分析認為，熱固化是傳導加熱，通過加熱空氣和模具將溫度傳導至試件，電烘箱爐腔內的溫度均達到120 ℃，保溫控制效果較好。然而，微波固化具有選擇性加熱的特點，在腔體內部試件吸收了絕大多數的微波能，腔體內部的其余部件幾乎不被加熱，在試件與空氣之間將會形成換熱，故使得溫度波動較大；其次，微波固化過程的保溫階段，當達到預設的保溫溫度后，微波功率降低，此時沒有外界熱源加熱，試件與外界環境存在溫度梯度，導致溫度的變化響應更快，降溫幅度更大，因此在保溫階段微波固化過程出現了鋸齒形的升降溫現象。微波固化試件在降溫時由于內外溫差較大，所以速率較快。

圖4 FBG傳感器檢測到的固化溫度曲線

如圖5所示，在兩個溫度上升的階段和第一保溫平臺，微波固化試件內部溫度與表面溫度基本一致。在第二保溫階段，由于微波功率變化較大，而且微波固化試件表面與空氣換熱較為明顯，因此試件內部與表面溫度出現了一定的溫度差。在微波固化試件表面A、B、C三個監測點的溫度在固化過程中的變化趨勢基本一致，排除掉測量誤差，同時刻溫度差異在±2 ℃之內，說明在層合板在微波固化過程中層合板外表面整體溫度分布較為均勻，這有利于保證固化產物的性能。分析認為，一方面，由于碳纖維介電損耗因子較高，在微波輻照的作用下，通過碳纖維的電導損耗將微波能轉化為熱能耗散在材料內部，材料整體被加熱，使得加熱較為均勻，材料沿厚度方向溫度梯度較小；另一方面，預浸料中的環氧樹脂等極性分子在微波的作用下，產生轉向極化，極性分子的碰撞、碰磨也會產生一部分熱量。微波具有較強的穿透性，并且碳纖維復合材料板件較薄，微波可以同時作用于材料不同厚度及不同位置，會在試件內部形成均勻的溫度場和固化度場，從而實現“整體加熱”。

圖5 微波固化試件表面及內部溫度曲線

2.3 固化過程中應變變化分析

圖6和圖7所示為熱固化試件內部和微波固化試件內部在固化過程的應變變化情況。如圖6所示，在升溫階段，熱固化試件內部的應變逐漸減小，變化幅度較小；當達到第二保溫階段時，固化反應的化學收縮使得試件內部出現了收縮應變；固化反應結束之后，試件開始冷卻，材料內部的收縮應變持續增大，最終達到了-6 258 με。

圖6 熱固化試件內部應變曲線

圖7 微波固化試件內部應變曲線

如圖7所示，微波固化試件內部在升溫階段出現了一定的應變變化，變化幅度較小；在保溫階段，微波固化試件內部出現了化學收縮引起的收縮應變；但在冷卻階段，相比于熱固化試件，微波固化試件應變變化幅度較小，最終內部應變為-83 με。對比兩種固化方式下的試件內部應變變化發現，微波固化產物的固化殘余應力遠小于熱固化產物。在對圖5微波固化試件表面溫度與試件內部溫度的分析中得出了微波固化可以降低試件內外溫度梯度，在試件內部形成較為均勻的溫度場以及固化度場，從而減少了熱應力以及固化收縮應力，因此使得微波固化試件的殘余應變遠小于熱固化試件的殘余應變。說明微波固化在改善材料性能方面會發揮積極的作用。

2.4 DSC測試結果分析

從圖8未固化、微波固化和熱固化產物的DSC測試結果可看出未固化產物有明顯的放熱峰，經過固化之后，熱固化以及微波固化產物均未出現放熱峰，說明本次實驗的兩種固化方式均已將試件完全固化。

圖8 DSC測試曲線

2.5 拉伸性能測試結果分析

圖9與圖10所示為對熱固化試件和微波固化試件進行拉伸性能測試得到的結果。對樣本中的數據取平均值得到表2中熱固化產物與微波固化產物的彈性模量與拉伸強度。產物相較于熱固化產物性能以及性能的離散性更好。

圖9 固化產物拉伸性能曲線

圖10 固化產物拉伸性能曲線

表2 固化產物拉伸性能

由表2可得，經微波固化后的試件彈性模量與拉伸強度均稍高于經熱固化后的試件彈性模量和拉伸強度。在拉伸破壞應變方面，熱固化試件要稍高于微波固化試件。經微波固化后的產物拉伸強度的離散系數為2.19%，拉伸模量的離散系數為1.82%，均小于經熱固化后的產物拉伸模量和拉伸強度的離散系數。分析認為，在微波固化過程中，由于碳纖維在微波照射后響應快，而且固化過程中碳纖維的電導加熱起了很大作用，從而使得在碳纖維與樹脂接觸面受熱充分，在試件內部形成了均勻的溫度場以及固化度場，從而減少了熱應力以及固化應力的產生，使得微波固化產物中固化殘余應力較小，使得試件性能較為均勻，提升了產物的質量。因此微波固化

3 結論

1) 微波固化與熱固化過程應變變化趨勢基本相同，微波固化試件內部的最終應變為-83 με，遠遠小于熱固化試件的-6 258 με。表明在降低固化產物的固化殘余應變方面，微波固化相比于熱固化有一定的優勢。

2) 微波固化試件的拉伸強度和拉伸模量分別為1 626.34 MPa和118.04 GPa均高于熱固化試件的1 580.17 MPa和112.35 GPa，而且微波固化試件的拉伸強度與拉伸模量離散系數分別為2.19和1.82均小于熱固化試件的6.16和5.27。說明微波固化的“體加熱”可以使試件固化更為均勻，試件固化質量更好，有利于提升產物的拉伸性能。