國產T700碳纖維用環氧樹脂及其復合材料性能研究

摘 要 本文針對國產碳纖維特點研制一種新型改性環氧樹脂配方，測試CCF700S碳纖維NOL環、單向板以及Ф150mm標準容器水壓爆破，并對爆破后復合材料結合 SEM對碳纖維的微觀結構進行表征。試驗結果表明，該改性環氧樹脂體系與CCF700S碳纖維浸潤性好，界面粘接能力強，力學性能優異，改性環氧樹脂體系適用于CCF700S碳纖維濕法纏繞工藝。

關鍵詞 國產T700碳纖維；環氧樹脂；復合材料

Study on Properties of Epoxy Resin and Its Composite Materials for Domestic T700 Carbon Fiber

YI Cuiyun， LIU Jiaqiu， ZHOU Guotai， WU Weiping

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT This article develops a new type of modified epoxy resin formula based on the characteristics of domestic carbon fibers， and tests the CCF700S carbon fiber NOL ring， unidirectional board， and Ф150mm standard container was subjected to water pressure blasting， and the microstructure of carbon fibers was characterized by combining SEM with composite materials after blasting. The experimental results show that the modified epoxy resin system has good wettability with CCF700S carbon fibers， strong interfacial bonding ability， and excellent mechanical properties. The modified epoxy resin system is suitable for the wet winding process of CCF700S carbon fibers.

KEYWORDS domestic T700 carbon fiber; epoxy resin; composite material

1 引言

碳纖維作為高性能纖維的一種，具有優良的力學性能、耐熱性能、化學穩定性、電熱傳導性、低熱膨脹性等，且密度低、耐摩擦、耐腐蝕、自潤滑［1-4］，作為一種高技術材料，碳纖維被廣泛應用于航空航天、國防軍事、建材交通和文體醫療等領域［1，5］，在國民經濟中有著重要的戰略地位。

近年來，T700級碳纖維的國產化研究取得了較好的成果，逐步擺脫了對國外的依賴［6-11］，但是目前國內干噴濕紡法制備的T700碳纖維與日本東麗公司相比，其強度略低，且毛絲多，離散值大，質量不穩定，與樹脂的浸潤性差。因此，探索適應國產T700碳纖維纏繞的樹脂體系以及成型工藝對國產T700碳纖維下一步工程化應用具有重要意義。本文針對國產碳纖維特點研制一種新型樹脂配方，測試國產碳纖維NOL環、單向板以及Ф 150 mm標準容器水壓爆破，并對爆破后復合材料結合 SEM對國產碳纖維的微觀結構進行表征。

2 試驗

2.1 主要原材料

改性環氧樹脂體系：哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司自研

碳纖維：CCF700S

2.2 試件制備及測試

2.2.1 樹脂體系

對改性環氧樹脂體系進行取樣，測試膠液粘度、DSC，并進行澆鑄體試樣制備，澆鑄體試樣制備及測試參照《GB/T2567-2021樹脂澆鑄體性能試驗方法》。

2.2.2 NOL環

以改性環氧樹脂作為基體，國產CCF700S碳纖維為增強材料進行NOL環拉伸試件以及剪切試件的制作及測試，NOL環試樣制備及測試參照《GB/T1458-2008纖維纏繞增強塑料環形試樣力學性能試驗方法》。

2.2.3 單向板

以改性環氧樹脂作為樹脂基體，國產CCF700S碳纖維為增強材料進行單向板濕法纏繞，并參照《GB/T3354-2014 定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》、《GB/T3356-2014 定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》、《JC/T773-2010纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》制備及測試參照進行機械加工及測試。

2.2.4 Ф150 mm標準容器

以砂芯模為模具，三元乙丙橡膠做內襯，改性環氧樹脂作為樹脂基體，國產CCF700S碳纖維為增強材料進行Ф150 mm標準容器的纏繞。Ф150 mm標準容器水壓爆破試驗參照《GB/T 6058-2005纖維纏繞壓力容器制備和內壓試驗方法》。

2.2.5 SEM形貌取樣

在Ф150 mm標準容器爆破位置取復合材料進行形貌觀察。

3 試驗結果

3.1 樹脂性能分析

對改性環氧樹脂體系進行粘度測試，粘度曲線如圖1所示。

在濕法纏繞工藝中，樹脂基體的粘度是主要指標之一，理想的濕法纏繞粘度區間為200 cps-800 cps。粘度太大，纖維無法完全浸潤，容易夾帶氣泡，影響復合材料致密性；粘度太小，纖維束無法有效帶膠，制品含膠量偏低［12］。通過圖1可以看出，改性環氧樹脂體系粘度在35-50℃時均適合復合材料濕法纏繞工藝。

對改性環氧樹脂體系進行澆鑄體試件制作，測定其相應力學性能及熱性能，改性環氧樹脂體系固化制度為90℃/2h-120℃/2h-155℃/3h，DSC曲線如圖2所示，改性環氧樹脂體系基體性能如表1所示。

通過圖2可以看出，改性環氧樹脂體系的玻璃化轉變溫度為106.764 ℃。

通過表1可以看出，改性環氧樹脂體系的物理性能及力學性能優異，均適合復合材料濕法纏繞工藝。

3.2 NOL環試件

為了檢驗改性環氧樹脂體系和CCF700S 碳纖維的界面粘接性能，進行了NOL環試驗，試驗結果如表2所示。

通過表2可以看出，CCF700S/改性環氧樹脂復合材料NOL環性能優異。這表示改性環氧樹脂基體與CCF700S碳纖維界面之間的浸潤性及粘接性良好，復合材料在剪切及拉伸破壞時傳遞應力的能力較強。

3.3 單向板試件

濕法纏繞成型單向板試件力學性能如表3所示。

通過表3可以看出，改性環氧樹脂體系制作的CCF700S 碳纖維單向板力學性能優異。這是因為改性環氧樹脂浸潤性與 CCF700S碳纖維表面使用的上漿劑匹配，其界面結合力強，復合材料在橫向拉伸破壞、彎曲破壞以及層間剪切破壞時傳遞應力的能力強，因此該樹脂體系適用于CCF700S碳纖維。

3.4 Ф150 mm標準容器

Ф150 mm標準容器生產完成后，進行水壓爆破試驗并進行過程水壓環向應變檢測。爆破強度為36.0 MPa，爆破后狀態如圖 3所示，環向應變如表4所示。

Ф150 mm標準容器水壓爆破為分段式破壞形式，這說明載荷通過環氧樹脂在碳纖維之間進行有效傳遞，碳纖維共同承載，最后會發生分段式破壞。爆破過程中采集各級壓強下的環向應變，環向應變逐級遞增，也說明纖維共同承載，載荷通過環氧樹脂在碳纖維之間傳遞有效。

3.5 SEM

在Ф150 mm標準容器爆破位置取復合材料進行形貌觀察，如圖5所示。

界面是復合材料極為重要的微觀結構，其性能的優劣直接影響基體與增強體之間的載荷傳遞效率，對復合材料的物理、化學及綜合力學性能起著至關重要的作用［13-14］。通過Ф150 mm標準容器爆破位置取樣掃描電鏡可以看出，標準容器經歷爆破試驗后改性環氧樹脂仍與碳纖維兩相之間界面結合，粘接能力強，該樹脂體系與CCF700S具有良好的匹配性。

4 結語

（1）通過對改性環氧樹脂體系性能分析，表明該改性環氧樹脂體系力學性能優異。

（2）通過對CCF700S碳纖維/改性環氧樹脂復合材料NOL環力學性能、單向板力學性能、標準容器爆破試驗分析，表明復合材料力學性能優異。

（3）通過對CCF700S碳纖維/改性環氧樹脂標準容器爆破后SEM形貌分析，表明該改性環氧樹脂體系與CCF700S碳纖維浸潤性好，界面粘接能力強，改性環氧樹脂體系適用于CCF700S碳纖維濕法纏繞工藝。

參 考 文 獻

［1］姜潤喜．合成技術與應用，2010，25（1）：28-33.

［2］Arshad H W，Lutfullah K.New Carbon Mater 2009，24（1）：83-88.

［3］Minus M L，Kumar S.J Met，2005（57）：12-15．

［4］Diaz A，Guizar-Sicairos M，Poeppel A， Menzel A， Bunk O Carbon，2014（67）：98-103．

［5］譚婷婷，王成國，井敏，馮志海，楊云華，陳旸，謝奔．功能材料，2012，43（16）：2226-2230．

［6］羅益峰.世界 PAN 基碳纖維發展透析及對我國的研發建議［J］.材料導報，2000，14（11）：11-13.

［7］張鳳翻，申屠年.國產碳纖維規模化應用值得注意的幾個工藝性問題［J］. 高科技纖維與應用，2008，33（3）：1-4.

［8］羅益峰，申屠年.2007年中國高性能纖維展望［J］.高科技纖維與應用，2007，32（1）：1-3.

［9］徐樑華.高性能 PAN 基碳纖維國產化進展及發展趨勢［J］.中國材料進展，2012，31（10）：7-13.

［10］馮聞，徐樑華.圍繞市場發展國產碳纖維制備及其應用技術［J］.高科技纖維與應用，2013，38（3）：12-24.

［11］李崇俊，劉建軍，劉勇瓊，等.高性能聚丙烯腈基碳纖維工程化研制及應用進展［J］.高科技纖維與應用，2011，36（5）：7-14.

［12］趙凱，高偉，陳書華.濕法纏繞成型T700碳纖維/氰酸酯樹脂復合材料力學性能研究［J］.玻璃鋼/復合材料，2019，（2）：91-95.

［13］管培強，李艷霞，李敏，等.碳纖維環氧界面相準靜態納米壓痕表征方法分析［J］．玻璃鋼／復合材料，2012（6）：23-27.

［14］王百亞，張康助，雷海峰，等.F-12 纖維／RE14 復合材料壓力容器成型工藝研究［J］．宇航材料工藝，2003，33（4） ：39-42.

通訊作者：伊翠云，女，高級工程師。研究方向為功能復合材料。E-mail： yicy2006@163.com