KH560對碳纖維樹脂基復合材料性能的影響

王振彪，王琛琛，李剛，常軍，張罡

KH560對碳纖維樹脂基復合材料性能的影響

王振彪，王琛琛，李剛，常軍，張罡

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

采用不同溶液含量的硅烷偶聯劑（KH560）改性了碳纖維，并通過真空輔助成型工藝（VARI）制備了（T300-3K/692-2K）碳纖維樹脂基復合材料，對其進行了力學性能實驗、動態力學分析，研究了改性前后力學性能的變化，并通過掃描電鏡對改性前后碳纖維以及拉伸斷口進行了分析。結果表明：KH560溶液質量分數為1%時，改性效果最好，玻璃化轉變溫度也隨著KH560改性升高，改性后樹脂對于碳纖維的包裹性也變得更好，力學強度升高。

碳纖維復合材料；KH560；力學性能；斷口形貌；動態力學

碳纖維樹脂基復合材料是一種先進材料，在 21世紀的今天被廣泛應用于各種場合，如機械制造、醫療器械、軌道交通、海洋船舶等[1]。與金屬材料相比復合材料具有性能可設計性強、高的比剛度和比強度、模量大、耐腐蝕性能好、抗高溫等優點[2-4]。碳纖維作為增強體雖然具有密度低、模量高、抗拉強度高、耐腐蝕等優點，但碳纖維表面由于石墨的作用成化學惰性，不易被樹脂浸潤從而產生化學反應[5]。因此需要對表面進行改性處理，以增加和樹脂的結合強度。

目前對于碳纖維的改性方法主要有：氧化法、等離子處理法、化學接枝法[6]和硅烷偶聯劑處理法等[7]。硅烷偶聯劑具有能與無機材料以及有機材料反應的官能團，在碳纖維和樹脂結合的時候能與樹脂中的基團發生反應，因此結合強度更好[8]。段紅英[9]等采用KH550對經過濃硝酸刻蝕的碳纖維進行改性，制備了室溫硫化硅橡膠復合材料，結果表明，拉伸強度和撕裂強度都得到了提升，分別提升了208%和126%。楊瑞瑞[10]等通過KH570在碳纖維表面上進行接枝，制備復合材料，結果表明，其表面粗糙度有所增加，且質量分數為1%時層間剪切強度最大，玻璃化轉變溫度也有所提高。王春雷[11]等采用KH550和KH560對玻璃纖維表面進行了改性處理，并研究了偶聯劑對力學性能的影響，結果表明，添加5%的KH550或KH560使層間剪切強度分別提高了38.5%、55.6%。

本次研究通過采用硅烷偶聯劑（KH560）對碳纖維表面進行改性，選用真空輔助成型（VARI）工藝制備改性前后的碳纖維樹脂基復合材料，研究偶聯劑對碳纖維樹脂基復合材料的力學性能以及界面結合的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

692-2K/A環氧樹脂、692-2K/B固化劑，深圳郎博萬先進材料有限公司；6K-T300小絲束雙向平紋碳纖維編織布，宜興市恒立航空科技有限公司；KH560硅烷偶聯劑，濟南興飛隆化工有限公司。

1.2 實驗設備

EVCP425大功率真空泵，深圳市博遠機電設備有限公司；DZF型真空干燥箱，上海力辰邦西儀器科技有限公司；UTM4304電子萬能試驗機，深圳三思縱橫有限公司；WZY-240萬能制樣機，承德衡通試驗檢測有限公司；DMA/SDTA1+動態力學分析儀，瑞士梅特勒公司；S-3400N掃描電鏡，日立高新技術公司。

1.3 改性方法

首先用9∶1的質量比配制無水乙醇和水溶液，向混合溶液中加入硅烷偶聯劑KH560，使KH560的質量分數分別為1.0%、1.5%、2.0%。碳纖維在放入KH560溶液之前，先對其進行60 ℃干燥30 min，隨后放入1 mol·L-1鹽酸溶液中浸泡2 h，隨后取出用等離子水清洗至pH=7，隨后60 ℃干燥后，將酸化的碳纖維放入KH560溶液中浸泡4 h，隨后取出放入100 ℃干燥箱干燥3 h，取出冷卻至室溫， 待用[12-13]。

1.4 碳纖維樹脂基復合材料的制備

以6K-T300型碳纖維為增強體、692-2K型環氧樹脂為基體，通過真空輔助成型工藝（VARI）制備碳纖維樹脂基復合材料。

其制備過程為：選取一塊30 cm×30 cm的不銹鋼板，在表面涂抹一層脫模劑，使用密封膠帶粘滿一圈，對碳纖維布裁剪鋪設共6層，隨后依次放入脫模布、導流網、導流管，最后密封。緊接著使用真空泵抽真空，把樹脂與固化劑按比例混合后靜置15 min，當真空泵儀表到30 Pa之后停止抽真空，靜置15 min，如果儀表沒有變化，就說明密封性好，如果有所下降就要檢查密封性。隨后使用導流管把樹脂導入進去，放入干燥箱內60 ℃加熱3 h等待固化、脫模。

1.5 力學性能試驗

根據GB/T 1447—2005以及GB/T 1449—2005進行力學性能實驗，使用WZY-240萬能制樣機分別制備拉伸和彎曲試樣，其中拉伸試樣尺寸為250 mm×25 mm×2.5 mm，彎曲試樣尺寸為80 mm ×15 mm×2 mm，選用UTM4304電子萬能試驗機進行拉伸以及彎曲試驗。

1.6 動態力學試驗

實驗采用瑞士梅特勒公司生產的DMA/SDTA1+動態力學分析儀，對改性前后的兩種碳纖維復合材料進行動態力學性能實驗，方法使用三點彎曲，實驗條件：溫度范圍25～250 ℃，升溫速率 5℃·min-1，應變0.5%，加載速率1 Hz，振幅10 um。樣品尺寸為80 mm×10 mm×2.5 mm。

1.7 斷口分析試驗

采用日產S-3400N掃描電鏡對改性前后碳纖維樹脂基復合材料的拉伸斷口進行SEN掃描，分析斷口形貌，判斷斷裂方式，探查樹脂與纖維之間的界面結合情況。

2 結果分析與討論

2.1 偶聯劑用量對拉伸性能的影響

選用6K-T300碳纖維為增強體、692-2K樹脂為基體，經過KH560改性前后制備而成的碳纖維復合材料其拉伸強度如表1所示。

表1 改性前后拉伸性能

從表1中可以看出，經KH560溶液改性的碳纖維可以有效地提升碳纖維復合材料的拉伸性能。當KH560溶液質量分數為1.0%時提升效果最好，此時拉伸強度與拉伸模量都達到了最大，分別為 608.64 MPa和13 261.89 MPa，分別提升了10.97%和23.36%；當KH560溶液質量分數為1.5%時，此時拉伸強度與拉伸模量分別為574.65 MPa和12 849.38 MPa，分別提升了4.76%和19.52%；當KH560溶液質量分數為2.0%時，此時拉伸強度與拉伸模量分別為550.26 MPa和11 403.96 MPa，分別提升了0.3%和6.1%。

2.2 偶聯劑用量對彎曲性能的影響

經KH560改性前后制備而成的碳纖維復合材料其彎曲強度如表2所示。

表2 改性前后彎曲性能

從表2中可知，KH560溶液的加入對復合材料彎曲性能的影響不是很大，當KH560溶液質量分數為1.0%時彎曲強度和彎曲模量為619.58 MPa和 38 549.47 MPa，分別提升了3.3%和19.59%，當KH560質量分數超過1.0%時其強度出現了明顯下降。

隨著KH560溶液質量分數的增加拉伸強度呈先上升后下降的趨勢，但總體強度是高于未改性時的復合材料的。在KH560溶液質量分數為1.0%時達到最大；彎曲強度和拉伸強度類似，不同的是，當KH560溶液質量分數達到2.0%時強度出現了下降。這是由于KH560改性碳纖維后會與碳纖維表面上的基團發生反應，生成大量的硅羥基，而且會在碳纖維表面形成偶聯劑分子層，當KH560溶液質量分數增加時，形成的偶聯劑分子層就會變得很厚，因此影響碳纖維與樹脂的界面性能，從而影響復合材料的力學性能[14]。

2.3 動態力學分析

KH560改性前后碳纖維樹脂基復合材料動態力學性能測試結果如圖1所示。

圖1 改性前后碳纖維樹脂基復合材料動態力學曲線

從圖1中可以看出，兩條曲線對應的最高峰為玻璃化轉變溫度g，g的大小對于復合材料界面性能有著很大的影響。從圖1中可以看到，未改性的碳纖維復合材料g溫度為93 ℃，而改性后的碳纖維復合材料g溫度為113 ℃，說明改性后的碳纖維與樹脂之間的結合強度變高了。這是由于碳纖維樹脂之間的黏合受到分子鏈結構的g或遷移率的影響，在碳纖維和樹脂結合時，纖維與樹脂之間形成的界面能夠阻擋分子鏈的運動，從增加玻璃化轉變所需的溫度。當使用溫度高于g時，會使復合材料的剛度以及強度出現明顯的下降，因此g溫度高的材料相對使用溫度就越高。

2.4 碳纖維復合材料斷口分析

對未改性的碳纖維和經KH560改性的碳纖維微觀表面以及所制備的碳纖維樹脂基復合材料微觀斷口進行掃描電鏡觀察，結果如圖2所示。

圖2 改性前后碳纖維復合材料掃描電鏡圖

圖中a、b、c為未改性碳纖維復合材料掃描電鏡圖， A、B、C為經KH560改性后的碳纖維復合材料掃描電鏡圖。從圖2（a）以及圖2（A）中可以看出，碳纖維在未經過改性時，表面光滑潔凈，沒有其他雜質，在經過改性后碳纖維表面附著了一層偶聯劑溶液，使其表面變得凹凸不平，甚至出現深溝槽，增加表面粗糙度，使其與樹脂結合更加緊密。在圖2（b）以及圖2（B）中可以看出，在未經過改性的碳纖維復合材料材料斷口出，碳纖維與樹脂之間分離，說明此處破壞發生在纖維與樹脂的界面處；而在改性后的斷口處，可以看到樹脂與纖維之間緊密包裹著，說明KH560改性后的碳纖維與樹脂之間的結合力增加。在圖2（c）以及圖2（C）中可以看出，未改性的斷口處樹脂與纖維之間的結合處產生了裂縫，說明樹脂與纖維產生了脫離，進一步說明了未改性的碳纖維與樹脂結合性差，改性之后的斷口處可以看到樹脂與纖維緊密結合，這是由于經過KH560改性后碳纖維與樹脂潤濕性得到改善，提高了碳纖維樹脂基復合材料的強度。

3 結 論

對碳纖維進行改性后，經VARI工藝制備了（T300-3K/ 692-2K）碳纖維樹脂基復合材料，對其進行了拉伸、彎曲性能實驗以及動態力學分析和斷口分析，探究了KH560溶液改性碳纖維對其性能產生的影響，其結論如下：

1）經拉伸、彎曲性能實驗可知，KH560溶液對拉伸力學性能影響較大，對彎曲力學性能影響較小；在溶液質量分數為1.0%時，此時力學性能為最佳，拉伸強度與彎曲強度分別提升了10.97%和3.3%。

2）在動態力學分析中，g對碳纖維復合材料力學性能的影響較大，而經過KH560改性后的碳纖維復合材料g升高，說明改性后樹脂與纖維界面之間結合更加緊密，材料耐溫性也得到提升，力學強度提高。

3）在斷口分析實驗中可知，經KH560改性后的碳纖維表面有附著一層KH560溶液，使其粗糙度增加；碳纖維與樹脂之間的潤濕性也會變好，因此，樹脂對于纖維的包裹性更好，從而力學強度也會 提升。

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Effect of KH560 on Properties of Carbon Fiber Resin Matrix Composites

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（Shenyang Ligong Universityy, Shenyang Liaoning 110159, China）

Carbon fibers were modified with silane coupling agent (KH560) with different contents in solution, and (T300-3K/692-2K) carbon fiber resin matrix composites were prepared by vacuum-assisted forming process (VARI). The mechanical properties experiment and dynamic mechanical analysis were conducted to study the change of mechanical properties before and after modification, and the carbon fibers and tensile fractures before and after modification were analyzed by scanning electron microscope. The results showed that when the mass fraction of KH560 solution was 1%, the modification effect was the best, and the glass transition temperature also increased with the modification of KH560.

Carbon fiber composite material; KH560; Mechanical property; Fracture morphology; Dynamic mechanics

TB332

A

1004-0935（2023）09-1271-04

沈陽市科技局雙百項目（項目編號：Y18-1-018）。

2022-09-22

王振彪（1998-），男，山東省菏澤市人，在讀碩士研究生，研究方向：復合材料與軍用關鍵材料。

張罡（1963-），男，教授，博士，研究方向：碳纖維復合材料。