黃 建，孫 洋，孫方方，周海麗，李 超，張立泉

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

碳纖維的制備工藝包含兩種：濕法紡絲（H型）和干噴濕法紡絲（S型），其中濕法紡絲工藝采用如下工序：（1）制備紡絲原液；（2）原液從噴絲孔壓出形成細流；（3）原液細流在凝固浴中形成初生纖維；（4）初生纖維后處理及卷裝。與濕法紡絲不同，干法紡絲的紡絲液細流直接進入紡絲甬道，通過熱氣流的作用使原液細流中的溶劑快速揮發(fā)，原液同時固化并在卷繞張力的作用下伸長變細形成初生纖維。干噴濕法紡絲是指兼有干法和濕法紡絲特點的溶液紡絲法，噴頭拉伸倍率較高，進入濕法凝固浴成形后初生絲強度較高［1］。濕法紡絲的特點是噴絲頭孔數(shù)多，但紡絲速度慢，適合紡制短纖維，而干法紡絲適合紡制長絲。通常同品種化學纖維利用干法紡絲較濕法紡絲所得纖維結構均勻，質(zhì)量較好［2］。在初生纖維生產(chǎn)中，還需完成后處理工序，使纖維具有必要的可紡性［3］。目前，國產(chǎn)T800級碳纖維的生產(chǎn)工藝包含了濕法紡絲和干噴濕法紡絲兩種，兩種碳纖維制備工藝示意圖如圖1所示。

圖1 濕法紡絲與干噴濕法紡絲兩種碳纖維 制備工藝的示意圖

三維機織復合材料是20世紀60年代后期發(fā)展起來的一種新型復合材料，利用機織工藝得到空間網(wǎng)狀結構的纖維預制體，通過樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding，RTM）工藝將預制體與樹脂基體復合成型得到高性能復合材料。由于三維機織復合材料厚度方向存在增強纖維，使預制體形成了不會分層的整體網(wǎng)狀結構，增加了復合材料的層間連接性能，使其具有比傳統(tǒng)二維鋪層復合材料更高的層間剛度、層間強度，三維機織復合材料還具有優(yōu)異的抗沖擊性能和抗分層性能［4-9］。預制體采用機織工藝制造，可以根據(jù)結構件幾何外形進行機織工藝設計，實現(xiàn)不規(guī)則外形構件預制體的一體化成型，適應高效率的自動化生產(chǎn)方式，RTM成型過程中預制體定位精準度高、纖維不錯位。

以碳纖維為原材料制備的三維機織復合材料在航空航天、船舶、建筑、運動器械和醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應用空間［10-13］，如新型復合血管支架［10］、三維正交機織復合材料加筋板［11］、微帶天線［12］等，采用三維機織復合材料的“T”型接頭的破壞載荷比基于鋪層復合材料的“T”型接頭高206%［13］。碳纖維增強三維機織復合材料另一個典型應用是航空發(fā)動機風扇葉片，LEAP系列航空發(fā)動機均采用了三維機織復合材料風扇葉片。相比于上一代，LEAP發(fā)動機燃油消耗可減少15%，二氧化碳排放量可減少15%，氮氧化物排放量不足其60%，且更為 安靜［14］。風扇葉片是航空發(fā)動機最大的高速轉子件，承受高速離心載荷和氣動載荷，對材料的疲勞性能具有極高的要求。LEAP航空發(fā)動機及其采用的三維機織復合材料風扇葉片如圖2所示。

圖2 LEAP航空發(fā)動機及其采用的三維機織復合材料風扇葉片

本文針對國產(chǎn)T800級H型和S型碳纖維開展微觀形態(tài)觀測和相關力學性能試驗研究，以探究兩種碳纖維對于風扇葉片的適用性，主要包含如下4個方面的研究內(nèi)容：

（1）H型與S型碳纖維微觀形態(tài)觀測試驗研究。

（2）H型與S型碳纖維浸膠紗拉伸性能研究。

（3）H型和S型纖維三維機織復合材料拉伸性能 對比。

（4）H型和S型纖維三維機織復合材料拉-壓疲勞性能對比。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

所采用的原材料為威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的T800級H型和S型兩種碳纖維，分別采用濕法紡絲和干噴濕法紡絲工藝制備，三維機織復合材料基體采用CYCOM PR520N樹脂。

1.2 機織結構

以H型和S型碳纖維為原材料制備的三維機織復合材料采用相同的一三斜紋機織結構，如圖3所示，圖中經(jīng)紗呈屈曲形態(tài)，緯紗垂直于經(jīng)紗分布，樹脂基體填充經(jīng)紗與緯紗留下的空白空間。

圖3 一三斜紋機織結構

1.3 試驗儀器

本文共涉及3類試驗儀器，如表1所示：

表1 試驗儀器

2 實驗方法

本文進行國產(chǎn)T800級S型和H型兩種碳纖維微觀形態(tài)、拉伸力學性能以及制備成三維機織復合材料后的準靜態(tài)力學性能和動態(tài)疲勞性能研究，綜合對比分析兩種碳纖維對于風扇葉片的適用性，涉及的試驗方法包括纖維微觀形態(tài)觀測試驗方法、纖維浸膠紗拉伸力學性能測試方法、三維機織復合材料拉伸力學性能試驗方法以及三維機織復合材料拉-壓疲勞性能試驗方法。

2.1 纖維微觀形態(tài)觀測試驗方法

分別采用掃描電鏡拍攝S型和H型碳纖維表面，掃描電鏡設備為TESCAN VEGA3，放大倍數(shù)在1000～10000之間，重點關注纖維表面形態(tài)，拍攝相關照片，對比兩種纖維表面形態(tài)的差異。

2.2 纖維浸膠紗拉伸力學性能測試方法

分別采用S型和H型碳纖維制作浸膠紗試驗件，保證浸膠工藝相同，每組試驗件的數(shù)量不少于6個，浸膠紗制備完成后采用INSTRON電子萬能材料試驗機測試浸膠紗的拉伸模量、拉伸強度、斷裂伸長率等力學性能，制備的浸膠紗試驗件如圖4所示。按ASTM D4018規(guī)定的方法進行測試，測試前預加載荷約為破壞載荷的2%，測試時橫梁位移速度為 5 mm/min，拉伸強度、拉伸彈性模量和斷裂伸長率同時測試，拉伸彈性模量計算應變?nèi)≈捣秶鸀槔鞈?.1%～0.6%的弦模量。

圖4 浸膠紗拉伸試驗件

2.3 三維機織復合材料拉伸力學性能試驗方法

三維機織復合材料準靜態(tài)力學性能試驗按照ASTM D3039標準執(zhí)行，分別采用S型纖維和H型纖維制備具有相同一三斜紋機織結構的三維機織復合材料，制備經(jīng)向拉伸試驗件，試驗件尺寸如圖5所示，采用MTS材料試驗機進行拉伸試驗，得到其經(jīng)向拉伸模量和強度，并且在測試過程中為了保證數(shù)據(jù)的準確和可靠，采用非接觸三維全場應變測量分析系統(tǒng)檢測試件（DIC）的全場應變，試驗設置如圖6所示。

圖5 拉伸試驗件幾何尺寸

圖6 三維機織復合材料拉伸試驗設置

2.4 三維機織復合材料拉-壓疲勞性能試驗方法

三維機織復合材料拉-壓疲勞性能試驗設置如圖7所示，試驗件幾何尺寸同拉伸試驗件一致，試驗過程中為了防止試驗件失穩(wěn)導致試驗失敗，安裝防失穩(wěn)夾具。分別進行H型和S型兩種纖維三維機織復合材料的經(jīng)向拉-壓疲勞，幅值應力為160 MPa，應力比為-1，加載頻率為10 Hz，通過試驗件的疲勞壽命判斷兩種纖維疲勞性能的優(yōu)劣。

圖7 三維機織復合材料拉-壓疲勞試驗設置

3 結果與討論

3.1 纖維微觀形態(tài)結果

掃描電鏡拍攝的國產(chǎn)T800級S型纖維和H型纖維照片如圖8所示，圖中可以看出由干噴濕法紡絲工藝制備的S型纖維表面較為光滑，而濕法紡絲工藝制備的H型纖維表面存在溝槽。兩種纖維的直徑相同，H型纖維的表面積更大，基于材料力學基本原理可知，相同復合成型工藝條件和成型質(zhì)量的前提下，H型纖維和樹脂基體的界面連接強度高于S型纖維。

圖8 國產(chǎn)H型纖維（a）和S型纖維（b）表面形態(tài)掃描電鏡照片

3.2 纖維浸膠紗拉伸性能試驗結果

S型和H型碳纖維浸膠紗拉伸試驗應力應變曲線分別如圖9（a）和（b）所示，可以看出試驗具備較好的重復性，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 H型（a）和S型（b）碳纖維浸膠紗拉伸試驗應力應變曲線

從表2中可以看出，兩種纖維具有基本一致的拉伸模量，但S型纖維拉伸模量的離散系數(shù)較大；另一方面，S型碳纖維具有較高的拉伸強度，比H型碳纖維高9.09%；S型碳纖維的斷裂伸長率比H型碳纖維高約6.98%。因此，整體來講，干噴濕法紡絲工藝制備的S型纖維具有比濕法紡絲工藝的H型纖維更好的拉伸模量、拉伸強度以及斷裂伸長率等力學性能，但是其拉伸模量離散系數(shù)較大。

表2 H型和S型碳纖維浸膠紗拉伸試驗結果

3.3 三維機織復合材料拉伸力學性能試驗結果

相同試驗條件下的H型纖維和S型纖維三維機織復合材料斷裂后，采用掃描電鏡拍攝斷面形貌如圖10所示，可以看出，以兩種纖維為原材料制備的三維機織復合材料在拉伸載荷作用下主要的破壞模式為樹脂斷裂、纖維拔出、界面破壞等方式。采用DIC系統(tǒng)測量得到的試驗件表面應變隨著拉伸過程的變化如圖11所示，隨著載荷的增加，試驗件表面應變也在逐漸增加，而且其表面應變場也呈現(xiàn)出與機織結構表面紋路分布相似的形態(tài)，其應變場的非均勻性逐漸增加。

圖10 掃描電鏡得到的拉伸試驗件斷面形貌

圖11 不同測試階段得到的試驗件表面應變場

相關的力學性能統(tǒng)計如表3所示，可以看出，以H型纖維和S型纖維編織的三維機織復合材料剛度性能較為接近，但是使用S型纖維會導致其離散系數(shù)大幅增加。在強度方面，以S型纖維為原材料制備的三維機織復合材料具有比H型纖維復合材料更高的強度值，約高13.16%，但是離散系數(shù)也相對較大。

表3 H型和S型碳纖維三維機織復合材料 準靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)對比

3.4 三維機織復合材料拉-壓疲勞性能試驗結果

三維機織復合材料在拉-壓疲勞載荷作用下的破壞形態(tài)如圖12所示，試驗件呈現(xiàn)出壓剪破壞模式，試驗件的裂紋擴展方向與試驗件厚度方向大致呈45°夾角，出現(xiàn)界面脫粘、樹脂開裂、纖維束開裂和貫穿等破壞模式。兩種纖維對應的復合材料在拉-壓疲勞載荷作用下的壽命如表4所示，可以看出，本次試驗結果的一致性較好，在相同峰值應力、應力比以及加載頻率外載條件下，S型纖維三維機織復合材料疲勞壽命要比相應的H型纖維復合材料低52.13%。

圖12 三維機織復合材料在拉-壓疲勞載荷作用下的破壞形態(tài)

表4 H型和S型碳纖維三維機織復合材料疲勞壽命

4 結論

（1）S型纖維表面較為光滑，而H型纖維表面布滿溝槽，比表面積增加，有利于增強纖維與樹脂的界面強度。

（2）兩種纖維的拉伸模量差別很小，但是S型纖維具有更高的拉伸強度。

（3）兩種纖維制備相同機織結構的三維機織復合材料剛度值差別較小，但是強度方面S型纖維具有較大優(yōu)勢。

（4）S型纖維制備的三維機織復合材料抗疲勞性能較差，相同應力載荷條件下的拉-壓疲勞壽命比相應的H型纖維低52.13%。

（5）通過以上試驗研究，S型纖維在復合材料強度方面具有較大優(yōu)勢，適用于非疲勞高承載結構，但是H型纖維復合材料的抗疲勞性能更好，因此對于大涵道比航空發(fā)動機風扇葉片這種對于疲勞性能要求極高的工程應用應優(yōu)先選用H型纖維。