纖維復合材料壓縮強度影響因素研究

纖維復合材料因其具有優異的機械性能和輕質等特點，在多個行業被廣泛應用。然而，其壓縮強度受樹脂的化學組成、碳纖維性能和微觀結構等因素影響。本研究深入分析了這些因素對壓縮性能的作用，并通過實驗評估了樹脂特性、環向支撐厚度、碳纖維模量和微觀結構對壓縮強度的影響。本研究為材料優化設計和實際應用性能提升提供了理論和實踐指導。

1實驗部分

1.1 試樣制備

樹脂體系的制備：將 1phr 間苯二胺（MPD，分析純，廣東滃江化學試劑有限公司）倒入研缽中碾碎，放入燒杯中并置于 70% 烘箱中加熱熔化，再加入5phr 的4，5-環氧環己烷-1，2-二甲酸二縮水甘油酯（TDE85，環氧值0.85，天津晶東化學復合材料有限公司），攪拌均勻，制得TDE85－MPD 樹脂體系；將 83phr 的改性甲基四氫鄰苯二甲酸酐（CO5，分析純，南通星辰合成材料有限公司）倒入研缽中碾碎，放入燒杯中并置于 90^qC 烘箱中加熱熔化，再加入100phr 雙酚A型環氧樹脂（E51，環氧值0.48～0.54，南通星辰合成材料有限公司）和 1.5phr 胺類促進劑（A05，分析純，達森材料科技有限公司），攪拌均勻，制得E51-C05-A05樹脂體系。將碳纖維束絲的一端固定在架子上，根據測試樣條的數量開始繞絲，確保每一束絲都受力均勻，在配好的樹脂體系中加入一定量的丙酮（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），稀釋后放人繞絲架開始浸膠，浸潤均勻后放到烘箱中，按樹脂固化溫度設置烘箱溫度進行固化[1]

選用不同廠家的碳纖維試樣進行壓縮性能的研究，除了對樹脂拉伸模量影響因素進行研究外，其他研究中碳纖維復合材料試樣均采用 E51-C05- A05樹脂體系。除了M40J為3K規格外，碳纖維試樣均為12K規格。制造商包括TOHO、WcihaiExpandFiber和TORAY。各試樣的線密度、拉伸強度和拉伸模量各有所不同，例如HTS40的線密度為0.7971g/m ，拉伸強度為 4.60GPa ，拉伸模量為234GPa ;GW5535的線密度為 0.7588g/m ，拉伸強度為5.73GPa ，拉伸模量最高達 336GPa ;M40J的線密度為0.447 2g/m ，拉伸強度為 4.62GPa ，拉伸模量為378GPa 。

壓縮測試試樣的制備：在玻璃板上水平固定兩片加強片，保持兩者間距為 3mm ，在加強片上均勻涂抹J22膠（黑龍江石化研究院），將碳纖維束絲樣條（按照GB/T3362—2017“束絲拉伸樣條制備方法\"制備）兩端浸沒在J22膠中，保持束絲垂直，確保束絲裹膠均勻，蓋上加強片并固定，放入 120^°C 烘

箱中固化 2h 后取出[2]

1.2 試樣表征

采用Waters公司Q2000型差示掃描量熱儀，研究不同升溫速率下2種樹脂體系的固化行為。按照GB/T3362—2017制備碳纖維束絲試樣，按照GB/T2567—2021制備樹脂澆鑄體試樣。采用Instron公司Instron5966型電子萬能材料試驗機測試束絲的拉伸、壓縮性能和澆鑄體的性能。

拉伸性能測試：拉伸速率 2mm/min ，單一試樣重復試驗10次，取平均值。

壓縮性能測試：每組試樣不少于10個，最終結果取平均值。

澆鑄體性能測試：每組樣條不少于6根（GB/T2567—2021），測試結果取平均值。

采用PANalytical公司XPertPROMPD型X射線衍射儀表征試樣的聚集態結構，選用 CuK_α 。單色光（ λ=0.154nm ），管電壓 40kV ，管電流 40mA ，掃描范圍 2θ=5^°～50^° ，步長 0.016^° 。利用Bragg公式計算晶面間距（ d₀₀₂?d₀₀₂ ），Scherrer公式計算微晶堆疊厚度（ ：L_c ）及微晶晶面尺寸 （L_a） 。計算 L_c 和 L_a 時，Scherrer 常數（K）分別取值0.89和 1.84 。

采用Renishaw公司RM2000型顯微共焦拉曼光譜儀測試碳纖維的碳化學結構，激光器波長為 532nm （氬離子），曝光時間為 15s ，累計曝光次數為10次。

采用GRUSS公司K100型動態接觸角測量儀，利用力學分析的方法檢測試樣的表面能，

采用JEOL公司7800F型場發射掃描電子顯微鏡對碳纖維束絲壓縮斷面的微觀形貌進行分析，對碳纖維試樣進行噴金處理，放大倍數20000倍，測試電壓 5.0kV 。

2 結果與討論

2.1樹脂特性對壓縮性能的影響

通過應用外推法，可以近似地計算出在升溫速率為 0‰ 的條件下，2種不同樹脂體系的初始反應溫度（ T_i） 峰值反應溫度 （T_p） 以及最終反應溫度 （T_f） 。這樣的分析有助于深入了解這兩種樹脂體系的起始反應特性。基于這些特性，可以進一步確定樹脂體系以及相應的復合材料束絲的最小固化溫度區間。有了這些信息，就能夠制定出針對不同樹脂體系及其對應復合材料束絲的固化工藝參數[3]

E51-C05-A05 樹脂的固化工藝為：先在 100^c 下固化 2h ，再在 120^°C 下固化3h，最后在 150^°C 下固化3h，其澆鑄體的拉伸強度為 54.2MPa ，拉伸模量為1.7GPa 。

TDE85-MPD樹脂的固化工藝為：先在 90^qC 下固化 2h ，再在 130^°C 下固化 3h ，最后在 160^cC 下固化 3h ，其澆鑄體的拉伸強度為 78.5MPa ，拉伸模量為 5.1GPa 。

2.2樹脂環向支撐厚度對壓縮性能的影響

經過多次浸膠和固化處理，制備了不同環向支撐厚度的 T800H 碳纖維復合材料，并測試了其壓縮強度。結果顯示，隨著環向支撐厚度從 0.9mm 增至 1.3mm ，壓縮強度增高。這是因為支撐厚度的增加，增強了束絲的抗壓能力，減少了樹脂破壞和碳纖維屈曲，延緩了壓縮破壞進程。因此，在本研究參數下，環向支撐厚度的增加對碳纖維復合材料的壓縮性能有正面影響。

理論上，增加環向支撐厚度會降低碳纖維體積分數，這可能不利于碳纖維性能的發揮，因為復合材料的性能依賴于碳纖維在復合材料中的分布情況。但碳纖維體積分數過高時，樹脂浸潤不足，可能導致應力集中和材料屈曲破壞。因此，存在一個碳纖維體積分數的最優值，低于此值時，壓縮性能隨碳纖維體積分數增加而提升；超過此值時，壓縮性能會下降，因為過多的碳纖維會導致內部結構不均，影響材料力學性能[4]

研究顯示，增加環向支撐厚度對碳纖維復合材料的壓縮性能有正面影響。理論上，環向支撐厚度增加會導致碳纖維體積分數減少，可能不利于性能發揮。但若碳纖維體積分數過高，樹脂浸潤效果不佳，易導致應力集中和屈曲破壞。因此，碳纖維體積分數存在著最佳范圍，適度增加可提升復合材料性能，超過此范圍則性能下降。

2.3碳纖維本征性能對壓縮性能的影響

本研究采用了3種不同型號的高強度標準模量碳纖維，直徑大約為 7μm 的CCF300、HTS40和CCF700H ，來制備碳纖維復合材料束絲。通過這一過程，深入探討和分析這些復合材料在承受拉伸和壓縮力時的性能表現及其相互之間的關系[5]

CCF300、HTS40和 CCF700H 三種碳纖維的晶體結構相似，其復合材料的壓縮破壞主要由碳纖維內部缺陷決定。研究發現，碳纖維的拉伸強度越高，其復合材料的壓縮強度也越高。通過比較T800H、GW5535和M40J三種不同拉伸模量的碳纖維發現，隨著拉伸模量的增加，碳纖維的拉伸強度先增后減，而復合材料的壓縮強度則呈現下降趨勢。這表明碳纖維的拉伸模量與其壓縮強度變化趨勢相反。此外，碳纖維的拉伸模量與其晶體結構有很好的相關性，晶體尺寸的增加會導致拉伸模量的提升。

碳纖維從高強中模到高強高模，晶體尺寸顯著增大。雖然從晶體剛性大、抗壓縮形變能力強的角度分析，高模碳纖維對應的復合材料應具有較高的壓縮強度，但從聚集態結構的角度分析，高強中模碳纖維為亂層石墨結構，高強高模碳纖維為類石墨結構，亂層石墨結構中的微晶晶體尺寸較小，眾多微晶間存在大量的交聯無序區， R 值較大（碳材料的拉曼光譜在 1350/cm 和 1580/cm 處存在2個特征峰，分別為D峰和G峰。D峰代表碳sp雜化和邊緣不規則碳結構，即晶界或晶格缺陷；G峰代表碳sp³ 雜化結構， R 為D峰的峰面積除以G峰的峰面積， R 值越大，無序結構越多），使得微晶抵抗壓縮破壞的能力增強；而類石墨結構中的晶體尺寸較大，晶體間的晶界結構清晰貫通，晶體間的交聯無序結構較少， R 值較小，在受到壓縮破壞時，晶體易發生滑移破壞。

為排除樹脂和碳纖維界面結合對碳纖維復合材料壓縮性能的影響，測試了碳纖維的表面能，結果顯示表面能越高，碳纖維的樹脂浸潤性越好。具體數據如下：

CCF300：d₀₀₂ 為 0.352nm，Lc 為 4.94nm ，La為1.50nm ，表面能為 60.40mJ/m²， R 值為3.65。

HTS40：d₀₀₂ 為 0.352nm ，Lc為 5.60nm ，La為1.97nm ，表面能為 51.73mJ/m² R 值為 2.36 。

CCF700H： d₀₀₂ 為 0.351nm，Lc 為 4.84nm ，La為 1.67nm ，表面能為 50.49mJ/m²， R 值為3.37。

T800H d₀₀₂ 為 0.353nm，Lc 為 5.01nm ，La為1.80nm ，表面能為 49.07mJ/m²， R 值為3.11。

GW5535：d₀₀₂ 為 0.347nm，Lc 為 9.38nm，La 為2.72nm ，表面能為 46.45mJ/m²，R 值為1.02。

M40J ： d₀₀₂ 為 0.346nm，Lc 為 10.62nm，La 為3.24nm ，表面能為 53.82mJ/m² R 值為1.00。

研究中觀察了T800H、GW5535和M40J三種碳纖維復合材料的斷裂面形貌。 T800H 顯示出不規則臺階式褶皺斷裂，主要為扭結破壞。當碳纖維表面能與T800相當或更高時，拉伸模量增加，導致斷裂面臺階狀結構減少。GW5535和M40J分別表現出向剪切破壞轉變以及具有明顯剪切破壞的特征。這說明提高拉伸模量會降低碳纖維復合材料的壓縮強度，這與微晶尺寸和結構分析結果一致。

3結論

通過實驗，全面分析了纖維復合材料的壓縮強度及其影響因素。實驗中制備了2種樹脂體系，選用不同廠家的碳纖維試樣，并利用DSC、電子萬能材料試驗機等設備對復合材料的性能和結構進行了深入表征。結果發現，樹脂固化特性、環向支撐厚度、碳纖維的拉伸模量和微觀結構等顯著影響了壓縮強度。特別是環向支撐厚度的增加和碳纖維體積分數的優化可提高壓縮性能，而碳纖維的拉伸模量與壓縮強度間存在復雜的相互作用關系。碳纖維微觀結構在壓縮破壞中也起到關鍵作用。本研究有助于材料性能優化，為纖維復合材料的設計和應用提供了理論和實踐指導。

參考文獻：

[1］朱再斌.碳納米管膜層間增強增剛碳纖維復合材料的壓縮強度和導熱性能研究［D].北京：北京化工大學，2023.

［2］龐躍釗.復合材料正交波紋夾芯結構沖擊載荷下失效破壞研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2023.

［3］時宇杰.聚酰亞胺/芳綸纖維基輕質多孔材料的制備及隔熱吸音性能研究［D].西安：陜西科技大學，2022

[4］郭威靜，黃爭鳴.短纖維復合材料的壓縮強度[J].固體力學學報，2022，43（1）：1-15.

[5］葉長收.高韌性碳氣凝膠復合材料及其點陣結構的設計與表征[D].北京：北京交通大學，2021.