國產 T800H碳纖維/環氧樹脂復合材料化學結合及特性研究

王莉 拜斌 張璋 肇研

摘要：研究了國產T800H碳纖維/環氧樹脂復合材料濕熱處理前后力學性能，并通過掃描電鏡觀察濕熱后復合材料界面結合狀態。結果表明，國產T800H碳纖維表面有溝槽，粗糙度大，有利于纖維與樹脂形成更好的物理結合。同時，國產T800H碳纖維表面有活性官能團，有利于纖維與樹脂形成更好的化學結合。國產 T800H碳纖維與樹脂基體的界面結合強度高，微觀界面剪切強度可達56.38 MPa。濕熱處理后復合材料力學性能略有下降，0°壓縮強度及開孔壓縮強度保持率66%以上，層間剪切強度保持率47%，表明國產T800H 碳纖維/環氧樹脂復合材料具有較好的耐濕熱性能。

關鍵詞：T800H碳纖維，復合材料，界面，濕熱，力學性能

中圖分類號：TB332；TQ342+.742文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0073-04

StudiesonchemicalbondingandcharacteristicsofdomesticT800Hcarbonfiber/epoxyresincomposites

WANG Li1，BAI Bin2，ZHANG Zhang1，ZHAO Yan3

（1．AVIC The First Aircraft Institute，Xi'an 710089，China；

2. The Sixth Representative Office of the Navy in Xi'an，Xi'an 710061，China；

3．School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract： The mechanical properties of domestic T800H carbon fiber/epoxy resin composites before and after hy? grothermaltreatment were studied，and the interface bonding state of the composite after wet heat was observed by scanning electron microscopy. The results showed thatthere were grooves and large roughness on the surface of do? mestic T800H carbon fiber，which were conducive to the formation of better physical combination between fiber and resin。。At the sametime，the active function groups on the surface of the domestic T800H carbon fibers were conducive to the formation of better chemical bonding between fiber and resin 。Therefore，the interface bonding strength of domestic T800H carbon fiber and resin matrix was high，and the micro interfacial shear strength could reach 56.38 MPa. Mechanical properties of domestic T800H carbon fiber/epoxy resin composite decreased slightly under hygrothermal environment，the performance retention rate of the 0° compressive strength and open hole com? pressive strength was more than 66%，the retention rate of interlaminar shear strength was 47%，indicating that do? mestic T800H carbon fiber/epoxy resin composite has good hygrothermal performance.

Keywords： T800H carbon fiber；composite；interphase；hygrothermal；mechanical properties

碳纖維復合材料由碳纖維、樹脂基體和兩者之間的界面組成，碳纖維作為增強相主要起承載作用，樹脂作為基體相主要起連接增強相和傳遞載荷作用，界面是連接碳纖維和樹脂基體的重要“橋梁”，良好的界面結合能將載荷有效的傳遞到纖維上，從而最大限度發揮纖維的承載作用[1-2]。因而，碳纖維復合材料的力學性能不僅取決于碳纖維和樹脂的性能，而且與兩者之間界面粘結強度密切相關[3-5]。碳纖維的表面特性直接影響復合材料的界面性質和界面粘接強度，進而影響到復合材料的力學性能。因此，研究碳纖維的表面特性及復合材料的界面性能具有重要意義。

國外已經將T800H碳纖維復合材料廣泛應用于航空領域[6]，主要用于包括飛機尾翼、機翼、機身、發動機短艙等結構部位，實現了武器裝備機體結構輕質、耐久性等關鍵戰技指標。由于飛行器的服役環境經常變化，而溫度和濕度的變化對復合材料力學性能產生顯著影響，在濕熱條件下復合材料力學性能會出現不同程度的下降。為保證飛行器的安全，在應用復合材料時需考慮濕熱條件下復合材料性能。

研究了國產T800H 碳纖維表面形貌和化學特性，通過單絲斷裂實驗研究了國產T800H 碳纖維/環氧樹脂基復合材料在干態和濕熱環境下的微觀界面剪切強度。通過對國產T800H 碳纖維/環氧樹脂基復合材料進行濕熱處理，研究了濕熱處理前后復合材料的基本力學性能。

1 實驗材料與方法

1.1實驗材料

國產T800H 碳纖維，纖維絲束為12 K；環氧樹脂為AC531；國產T800H碳纖維環氧復合材料制備工藝為預浸料鋪貼熱壓罐成型。復合材料濕熱處理條件：溫度為71℃ ，水浸14 d。

1.2實驗方法

1.2.1掃描電子顯微鏡（SEM）

采用JSM 6010型掃描電子顯微鏡觀察碳纖維及其復合材料形貌，加速電壓為20 kV。

1.2.2 原子力顯微鏡（AFM）

采用Veeco ICON 型原子力顯微鏡微探針掃描觀察原子形貌和表征表面粗糙度，掃描面積為3μm ×3μm，采用Nano Scope 軟件分析粗糙度。

1.2.3 X 射線光電子能譜儀

采用Thermo VG ESCALAB250型X 射線光電子能譜儀，分析碳纖維的表面成分。官能團種類和所占比例采用XPS-peak軟件分峰處理得到。

1.2.4 微觀界面剪切強度

采用單纖維斷裂實驗測試復合材料微觀界面剪切強度，實驗過程中拉伸速率為2μm/s，對偏光顯微鏡下的光彈花樣進行視頻成像，測量、統計單絲斷裂長度，基于Kelly-Tyson模型計算復合材料微觀界面剪切強度。

1.2.5 復合材料力學性能

采用5928型電子萬能試驗機測試不同處理條件下復合材料的力學性能。壓縮性能按照 SCAMA 1R 方法測試，層間剪切性能按照ASTM D 2344方法測試，開孔壓縮性能按照ASTM D 6484方法測試。

2 結果與討論

2.1 碳纖維表面形貌

采用 SEM 和AFM 對國產T800H 碳纖維表面形貌測試，碳纖維表面的SEM 和AFM 照片如圖1和圖2所示。

從圖1可看出，國產T800H 碳纖維表面存在沿纖維軸向分布的溝槽，溝槽深淺不一。圖2的AFM 照片也表明國產T800H 碳纖維表面存在大量溝槽。碳纖維表面溝槽雖然會增加表面微裂紋存在的概率，帶來一定程度的表面缺陷，降低碳纖維拉伸強度，但由于表面溝槽會增加碳纖維的表面能，一方面有利于碳纖維與樹脂的浸潤，增強纖維與樹脂的化學結合，另一方面利于形成較強的機械嚙合，從而提升碳纖維與樹脂的界面性能[7-8]。

采用SEM 觀察碳纖維表面形貌的同時，可以測量碳纖維的直徑，測量了30根碳纖維直徑，取其平均值，結果如表1所示。由原子力顯微鏡的三維形貌圖通過Nano Scope 分析軟件可計算出碳纖維表面粗糙度，得到國產 T800H 纖維的平均粗糙度。國產 T800H 碳纖維直徑為5.23μm，表面粗糙度（RA）為23.3 nm。

2.2 碳纖維表面化學特性

用XPS 全譜掃描表征國產T800H 碳纖維表面化學元素組成，XPS全掃描圖如圖3所示。

從圖3可以看出，國產T800H 碳纖維表面主要以碳、氧元素為主。根據各種元素的積分面積計算得到各元素比例含量，結果如表2所示。

由表2可知，國產T800H 碳纖維除碳、氧兩種元素外，還有硅、氮、硫等元素。纖維表面含氧、氮官能團不僅可以提高碳纖維的表面能，還可以與樹脂形成化學鍵合，提高界面粘接強度。纖維表面的硅元素可能是在原絲制備中的硅系油劑殘留所致，硫元素可能是上漿劑輔劑中硫系抗氧化劑成分。碳纖維的表面活性可以用O/C 比表示，O/C 比越大，表明碳纖維的表面活性越強，與樹脂基體發生的化學鍵合力越強。國產T800H碳纖維表面O/C比為0.24。

為了進一步了解碳纖維表面碳元素的化學狀態，對 C1s 譜峰進行窄譜掃描，采用XPS- peak 軟件對C1s峰進行分峰處理，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，國產T800H 碳纖維表面含碳官能團主要有—C—C—（或—C—H）、—C—OH（或— C—OR）、—C==O 此3種，通常認為—C—C—，或— C—H 為化學惰性官能團；—C—OH，或—C—OR、— C==O等為化學活性官能團。

根據C1s 分峰譜圖，計算各官能團含量，結果如表3所示。

由表3可知，國產T800H 碳纖維表面—C—C—（或—C—H）官能團含量為67.3%，—C—OH（或—C— OR）官能團含量25%左右，—C==O 官能團含量7.8%。碳纖維表面活性官能團的含量影響纖維與樹脂之間粘接性能，碳纖維表面的活性官能團有利于碳纖維與樹脂之間形成化學鍵，可以提高復合材料的界面粘接強度及耐濕熱性能。

2.3 微觀界面性能

通常采用界面剪切強度（IFSS）來評價纖維與樹脂間的微觀界面性能。

采用單絲斷裂試驗測試復合材料體系的微觀界面剪切強度，室溫/干態及室溫/濕態下的光彈花樣如圖5所示；用單絲斷裂法計算得到的界面剪切強度如表4所示。

從圖5可看出，在室溫/干態下國產T800H 碳纖粘接維單絲復合體系斷點呈現扁平X 型光彈花樣，表明纖維與樹脂形成較強界面。與干態條件下光彈花樣相比，濕態下光彈花樣的X 型更加拉伸，說明濕熱處理對界面造成了一定程度的損傷。

由表4可知，從復合材料界面剪切強度看，濕態下界面剪切強度保持率為94.13%，表明濕熱處理對界面造成的損傷較小，國產T800H 碳纖維/環氧樹脂復合材料具有較好的耐濕熱性能。

2.4復合材料的濕熱性能

國產T800H 碳纖維/環氧樹脂復合材料在室溫環境和高溫濕態環境下的力學性能如表5所示。

由表5可知，國產T800H 碳纖維/環氧樹脂復合材料在干態條件下，130℃測試溫度下復合材料0°壓縮強度、層間剪切強度、開孔壓縮強度有不同程度的下降，但保持率均在59%以上。在濕熱處理后，國產 T800H 碳纖維/環氧樹脂復合材料性能下降，但0°壓縮強度及開孔壓縮強度保持率仍在66%以上，層間剪切強度下降明顯，性能保持率為47%，表明復合材料具有較好的界面性能及耐濕熱性能。

復合材料層間剪切形貌可有效表征復合材料的界面粘結性能，不同濕熱條件下國產T800H碳纖維/環氧樹脂復合材料層間剪切斷面的SEM圖如圖6所示。

從圖6可以看出，干態條件下纖維表面粘附較多樹脂，結合緊密，表明國產T800H 碳纖維與環氧樹脂具有較好的界面結合性能。而濕熱處理后纖維表面粘附樹脂較少，出現界面裂紋，表明濕熱處理影響了復合材料界面結合能力，從而導致濕熱處理后復合材料的層間剪切強度下降。

3 結語

（1）國產T800H 碳纖維表面有溝槽，粗糙度大，有利于纖維與樹脂的機械“嚙合”；碳纖維表面有化學活性官能團，表面元素O/C 比較高，有利于纖維與樹脂發生化學結合；

（2）采用單纖維斷裂法測試的室溫干態下復合材料微觀界面剪切強度為56.38 MPa，表明纖維與樹脂性能形成較強界面。光彈花樣分析顯示濕熱處理對復合材料界面造成了一定程度的損傷，但損傷較小，濕態下復合材料微觀界面剪切強度保持率94.13%；

（3）國產T800H碳纖維環氧樹脂復合材料力學性能分析表明，干態時，130℃測試溫度下0°壓縮強度、層間剪切強度和開孔壓縮強度均具有較高保持率。濕熱處理后，復合材料性能略有下降，但性能保持率在50%以上，表明國產T800H 碳纖維/環氧樹脂復合材料具有較好的耐濕熱性能。

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