國產大絲束碳纖維及其復合材料性能研究

Research on the performance of domestic large - tow carbon fiber and its composites

JI Danyang*， ZHAO Liang，LIU Jiwei， XU Fangfang， JIANG Jiliang，SUN Haiyang，LIU Shaoxuan，CHEN Yu（HarbinFRPInstituteCo.，Ltd.，Harbin150028）

Abstract：Based on aspecific modelof composite pressure vessel，thisstudy investigated the properties and interfacial characteristicsofdomesticalyproduced T7Oo large-towcarbonfibercomposite.Theresultsdemonstratethatthedomestic T700-24K carbonfiber exhibitsatensilestrengthof 5660.89 MPaandatensilemodulus of252.24GPa.Theunidirectionallaminatecomposite madefromdomestic T7oo-24Kachievesatensilestrengthof2744.94MPaandaninterlaminar shearstrengthof 94.87MPa.Thedomestic T7oo-24Kcarbonfiberdemonstrates excellentmechanicalproperties and stable processing performance，meeting the requirements of the specific product models.

Keywords：domestic T7OO carbon fiber；composite materials；mechanical properties

1引言

碳纖維是一種碳元素含量在 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，以及優良的導電、導熱等特性，常被作為理想的增強和功能材料，廣泛應用于航空航天等高科技領域[2]。根據單束纖維中碳絲數量碳纖維分為1K、3K、6K、12K、24K等，其中12K以下稱為小絲束碳纖維，24K及以上稱為大絲束碳纖維。在生產技術上，小絲束碳纖維由于抗拉強度可達到 4900MPa 以上，得到廣泛量產應用，因而工藝相對成熟穩定。大絲束碳纖維由于早期生產工藝技術的限制，性能較差，抗拉強度在2000MPa左右。20世紀90年代以后，大絲束碳纖維的制造工藝革新，性能得到突破性提高，抗拉強度超過 3600MPa ，生產成本大幅降低，僅為小絲束碳纖維的2/3左右。在產品應用上，大絲束碳纖維線密度遠大于小絲束碳纖維，相同的纏繞工藝下可節約50% 以上生產周期，在纖維抗拉強度滿足產品設計要求的情況下，極大的節約產品制造成本。

本文通過對某品牌國產T700-24K大絲束碳纖維與T700-12K小絲束碳纖維進行形貌分析、束紗強度、單向板力學性能、標準容器發揮強度等試驗對比，通過產品性能、制造成本、制造周期等多個維度的分析，確認其在復合材料產品應用的優缺點。

2 試驗驗證

2.1 材料選取

基體樹脂：HBY.SC.14環氧樹脂體系（哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司自研配方）。

增強纖維：中復神鷹SYT49S－12K碳纖維，SYT49S-24K碳纖維。

2.2 試驗設備

2.2.1 掃描電子顯微鏡（SEM）

采用美國ThermoScientific的ProX掃描電子顯微鏡觀察碳纖維表面狀態、測量纖維直徑和復合材料斷口處的形貌，測試之前需對樣品進行噴金處理。ProX掃描電子顯微鏡如圖1所示。

億能烘箱制造有限公司生產的熱風循環烘箱，爐溫均勻性 ±3^°C ，控溫精度 ±1?^°C 。內腔尺寸：高2000mm× 寬 1500mm× 深 ，功率：54kW 。纖維纏繞產品固化爐如圖3所示。

2.2.4INSTRON5582萬能力學試驗機

試樣力學性能測試采用INSTRON5582萬能力學試驗機，設備采用全數字化控制橫梁驅動控制系統可進行金屬、復合材料等拉伸、彎曲、剪切試驗，精度等級為0.5級。INSTRON5582萬能力學試驗機如圖4所示。

2.2.2 試件纏繞機

纖維單向板和 φ150mm 標準容器纏繞選用哈玻院設備開發公司研制生產的纏繞機，配有4組張力器和恒溫浸膠槽，最大纏繞直徑 700mm ，最大裝卡長度 2500mm ，最大裝卡直徑 110mm ，可用于碳纖維濕法纏繞試樣制備。試件纏繞機如圖2所示。

2.2.3 固化爐

纖維單向板和 φ150mm 標準容器固化選用吳江Φ150mm 標準容器水壓爆破試驗采用CB100-5.5試壓泵，額定壓力為 100MPa ，流量為 122L h，行程為 40mm ，泵速為 150min^-1"。CB100 -5.5試壓泵如圖5所示。

2.3 試樣制備

2.3.1 束紗試樣

碳纖維復絲力學性能測試采用束絲法[3]，樹脂固化溫度為 120^°C ，恒溫 3h 。復絲試樣制作過程及復絲試樣如圖6所示。

2.3.2 單向板試樣

單向板試樣作為表征碳纖維力學性能的重要指標，也是碳纖維作為先進復合材料增強體的優勢所在。[4]分別對待測纖維按照GB/T1446－2005中相應要求試制單向板，樹脂體系采用環氧類樹脂配方，根據單向板性能要求，纖維按 0^° 單向排列，通過芯模旋轉和纖維導紗絲嘴的平移控制前進量鋪覆在模具表面。纏繞成型后，采用相同的制度進行加壓固化，待固化完全冷卻后，進行脫模并加工成待測試件。

2.3.3 φ150 標準容器

以水溶性砂芯模作為模具，三元乙丙橡膠作為內襯層[5]，HBY.SC.14 配方作為基體，國產T700-12K和國產 1700-24K 碳纖維作為增強材料，在同一臺設備上完成濕法纏繞成型，成型期間纏繞張力、浸膠槽溫度、車間溫濕度等工藝參數均保持一致。

標準容器尺寸為 φ150×315mm ，前后橢球比為 1：2 ，12K，鋪層為3縱7環。不同纖維制備φ150 標準容器過程參數與成本統計如表1所示。

2.4 測試方法

2.4.1 纖維形貌分析

在掃描電子顯微鏡下觀察纖維表面形貌，通過對碳纖維絲直徑測量，纖維表面粗糙度、損傷情況分析，確認纖維狀態。

2.4.2 束紗拉伸

碳纖維復絲力學性能依據GB/T3362-2017《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》測試其拉伸強度、拉伸模量以及斷裂延長率。

2.4.2 單向板力學性能測試

依據《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》、 纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》進行機械加工及測試。

2.4.3 φ150 標準容器爆破試驗

采用CB100-5.5液壓試驗泵，在液壓試驗槽內對 φ150 標準容器進行水壓爆破試驗，通過爆破壓力，對環向纖維發揮強度進行對比。試驗介質為去離子水，升壓速率 ?0.5MPa/min ：試驗過程采用高速攝影設備進行過程監控。

3 結果與討論

3.1 碳纖維表面形貌分析

3.1. 1 原始形貌分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM）對國產T700-12K和國產T700-24K碳纖維的表面形貌進行觀察，圖2為兩種碳纖維的表面形貌圖。區別于濕法紡絲工藝的表面粗糙度大，國產T700-12K和國產T700-24K碳纖維顯示出典型的干噴濕紡工藝特征，表面比較光滑。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[6。兩種纖維SEM圖像如圖7所示。兩種纖維各截取20個圖像，由形貌特征對比分析可知，兩種纖維在纖維直徑和表面形貌狀態上沒有差異。干噴濕紡制備碳纖維工藝路線如圖8所示。

3.1.2 斷口形貌分析

在標準容器水壓爆破后的纖維斷裂處進行取樣，爆破點纖維掃描電鏡圖如圖9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[7-8]。通過觀察電鏡，纖維表面有大量樹脂塊，并未看到整根纖維暴露，說明纖維與樹脂結合性較好。

產T700-24K大絲束纖維束紗拉伸強度和模量均高于國產T700-12K小絲束纖維。

通過多組試驗數據統計得出兩種纖維的拉伸強度和拉伸模量，如表2所示。

3.2 碳纖維束紗性能

3.3 單向板力學性能

為了進一步分析纖維力學性能，通過復合材料試件性能來評價纖維性能指標[9]。表2為國產 T700-12K 和國產T700-24K/HBY.SC.14單向板力學性能測試結果，國產 T700-24K 復合材料單向板0^° 拉伸強度、 0^° 拉伸模量、彎曲模量、層間剪切強度均高于國產 T700-12K 復合材料單向板，其中國產 1700-24K 單向板 0^° 拉伸強度比國產T700-12K提高了 6.4% ，層間性能提高了 2.68% 。

3.4標準容器發揮性能

復合材料力學性能測試數據如表3所示，對兩種纖維纏繞標準容器爆破時的爆破壓力進行對比分析，國產T700-24K和國產T700-24K碳纖維的爆破形式如圖10所示，爆破形式為筒身爆破，破壞方向沿垂直軸向方向，環向縱向纖維共同承載，由此計算的發揮強度可以有效表征纖維在碳纖維纏繞殼體上的發揮強度。

試驗數據如表4所示，根據國產T700-12K和國產 1700-24K 碳纖維的標準容器爆破值計算了纖維發揮強度及發揮率。由數據可以看出，國產T700-24K 碳纖維的發揮強度高于國產T700-12K碳纖維。

4結語

通過本文試驗研究分析，可得出以下結論：

（1）通過纖維形貌和爆破后斷口形貌分析，大絲束纖維與小絲束纖維制造工藝相同，纖維直徑、表面形貌及與樹脂結合情況基本一致。

（2）通過對纖維束紗力學性能對比分析，大絲束纖維具有良好的拉伸強度及界面強度，SYT49S-24K纖維與SYT49S-12K纖維束紗拉伸強度和拉伸模量略高。（3）通過復合材料單向板和爆破容器的綜合評價分析，國產 T700-24K 碳纖維具有優異的力學性能及結構效率，更適合用于濕法纏繞工藝制品的大規模高效制造中。（4）以 φ150 標準容器為例，采用大絲束碳纖維纏繞可以節省纖維材料價格 26% ，纏繞工時減少 60% ，大絲束纖維應用可以極大的降低碳纖維產品成本。

由此可見，24K大絲束碳纖維制造工藝通過近年來的工藝革新，其力學性能、工藝性等已經達到或超過12K小絲束纖維，在材料成本和纏繞工藝工時方面可以極大的降低產品制造成本，在軍用和商業航天產品低成本化的大趨勢下，有著越來越廣闊的應用空間。

參考文獻

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