王振彪，王琛琛，李剛，常軍，張罡

KH560對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料性能的影響

王振彪，王琛琛，李剛，常軍，張罡

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

采用不同溶液含量的硅烷偶聯(lián)劑（KH560）改性了碳纖維，并通過(guò)真空輔助成型工藝（VARI）制備了（T300-3K/692-2K）碳纖維樹脂基復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析，研究了改性前后力學(xué)性能的變化，并通過(guò)掃描電鏡對(duì)改性前后碳纖維以及拉伸斷口進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，改性效果最好，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也隨著KH560改性升高，改性后樹脂對(duì)于碳纖維的包裹性也變得更好，力學(xué)強(qiáng)度升高。

碳纖維復(fù)合材料；KH560；力學(xué)性能；斷口形貌；動(dòng)態(tài)力學(xué)

碳纖維樹脂基復(fù)合材料是一種先進(jìn)材料，在 21世紀(jì)的今天被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，如機(jī)械制造、醫(yī)療器械、軌道交通、海洋船舶等[1]。與金屬材料相比復(fù)合材料具有性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、高的比剛度和比強(qiáng)度、模量大、耐腐蝕性能好、抗高溫等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。碳纖維作為增強(qiáng)體雖然具有密度低、模量高、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但碳纖維表面由于石墨的作用成化學(xué)惰性，不易被樹脂浸潤(rùn)從而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)[5]。因此需要對(duì)表面進(jìn)行改性處理，以增加和樹脂的結(jié)合強(qiáng)度。

目前對(duì)于碳纖維的改性方法主要有：氧化法、等離子處理法、化學(xué)接枝法[6]和硅烷偶聯(lián)劑處理法等[7]。硅烷偶聯(lián)劑具有能與無(wú)機(jī)材料以及有機(jī)材料反應(yīng)的官能團(tuán)，在碳纖維和樹脂結(jié)合的時(shí)候能與樹脂中的基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，因此結(jié)合強(qiáng)度更好[8]。段紅英[9]等采用KH550對(duì)經(jīng)過(guò)濃硝酸刻蝕的碳纖維進(jìn)行改性，制備了室溫硫化硅橡膠復(fù)合材料，結(jié)果表明，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都得到了提升，分別提升了208%和126%。楊瑞瑞[10]等通過(guò)KH570在碳纖維表面上進(jìn)行接枝，制備復(fù)合材料，結(jié)果表明，其表面粗糙度有所增加，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)層間剪切強(qiáng)度最大，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也有所提高。王春雷[11]等采用KH550和KH560對(duì)玻璃纖維表面進(jìn)行了改性處理，并研究了偶聯(lián)劑對(duì)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，添加5%的KH550或KH560使層間剪切強(qiáng)度分別提高了38.5%、55.6%。

本次研究通過(guò)采用硅烷偶聯(lián)劑（KH560）對(duì)碳纖維表面進(jìn)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(fù)合材料，研究偶聯(lián)劑對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能以及界面結(jié)合的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

692-2K/A環(huán)氧樹脂、692-2K/B固化劑，深圳郎博萬(wàn)先進(jìn)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(lián)劑，濟(jì)南興飛隆化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

EVCP425大功率真空泵，深圳市博遠(yuǎn)機(jī)電設(shè)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫有限公司；WZY-240萬(wàn)能制樣機(jī)，承德衡通試驗(yàn)檢測(cè)有限公司；DMA/SDTA1+動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，瑞士梅特勒公司；S-3400N掃描電鏡，日立高新技術(shù)公司。

1.3 改性方法

首先用9∶1的質(zhì)量比配制無(wú)水乙醇和水溶液，向混合溶液中加入硅烷偶聯(lián)劑KH560，使KH560的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.5%、2.0%。碳纖維在放入KH560溶液之前，先對(duì)其進(jìn)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(fù)合材料的制備

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

其制備過(guò)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(duì)碳纖維布裁剪鋪設(shè)共6層，隨后依次放入脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、導(dǎo)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(dāng)真空泵儀表到30 Pa之后停止抽真空，靜置15 min，如果儀表沒(méi)有變化，就說(shuō)明密封性好，如果有所下降就要檢查密封性。隨后使用導(dǎo)流管把樹脂導(dǎo)入進(jìn)去，放入干燥箱內(nèi)60 ℃加熱3 h等待固化、脫模。

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 1447—2005以及GB/T 1449—2005進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，使用WZY-240萬(wàn)能制樣機(jī)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸以及彎曲試驗(yàn)。

1.6 動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用瑞士梅特勒公司生產(chǎn)的DMA/SDTA1+動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，對(duì)改性前后的兩種碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，方法使用三點(diǎn)彎曲，實(shí)驗(yàn)條件：溫度范圍25～250 ℃，升溫速率 5℃·min-1，應(yīng)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(yàn)

采用日產(chǎn)S-3400N掃描電鏡對(duì)改性前后碳纖維樹脂基復(fù)合材料的拉伸斷口進(jìn)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(jié)合情況。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 偶聯(lián)劑用量對(duì)拉伸性能的影響

選用6K-T300碳纖維為增強(qiáng)體、692-2K樹脂為基體，經(jīng)過(guò)KH560改性前后制備而成的碳纖維復(fù)合材料其拉伸強(qiáng)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(jīng)KH560溶液改性的碳纖維可以有效地提升碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能。當(dāng)KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)提升效果最好，此時(shí)拉伸強(qiáng)度與拉伸模量都達(dá)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(dāng)KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，此時(shí)拉伸強(qiáng)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(dāng)KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，此時(shí)拉伸強(qiáng)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(lián)劑用量對(duì)彎曲性能的影響

經(jīng)KH560改性前后制備而成的碳纖維復(fù)合材料其彎曲強(qiáng)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(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響不是很大，當(dāng)KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)彎曲強(qiáng)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(dāng)KH560質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.0%時(shí)其強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯下降。

隨著KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加拉伸強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，但總體強(qiáng)度是高于未改性時(shí)的復(fù)合材料的。在KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)達(dá)到最大；彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度類似，不同的是，當(dāng)KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。這是由于KH560改性碳纖維后會(huì)與碳纖維表面上的基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，生成大量的硅羥基，而且會(huì)在碳纖維表面形成偶聯(lián)劑分子層，當(dāng)KH560溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，形成的偶聯(lián)劑分子層就會(huì)變得很厚，因此影響碳纖維與樹脂的界面性能，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能[14]。

2.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

KH560改性前后碳纖維樹脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 改性前后碳纖維樹脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)曲線

從圖1中可以看出，兩條曲線對(duì)應(yīng)的最高峰為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度g，g的大小對(duì)于復(fù)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(fù)合材料g溫度為93 ℃，而改性后的碳纖維復(fù)合材料g溫度為113 ℃，說(shuō)明改性后的碳纖維與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度變高了。這是由于碳纖維樹脂之間的黏合受到分子鏈結(jié)構(gòu)的g或遷移率的影響，在碳纖維和樹脂結(jié)合時(shí)，纖維與樹脂之間形成的界面能夠阻擋分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從增加玻璃化轉(zhuǎn)變所需的溫度。當(dāng)使用溫度高于g時(shí)，會(huì)使復(fù)合材料的剛度以及強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降，因此g溫度高的材料相對(duì)使用溫度就越高。

2.4 碳纖維復(fù)合材料斷口分析

對(duì)未改性的碳纖維和經(jīng)KH560改性的碳纖維微觀表面以及所制備的碳纖維樹脂基復(fù)合材料微觀斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖2所示。

圖2 改性前后碳纖維復(fù)合材料掃描電鏡圖

圖中a、b、c為未改性碳纖維復(fù)合材料掃描電鏡圖， A、B、C為經(jīng)KH560改性后的碳纖維復(fù)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(jīng)過(guò)改性時(shí)，表面光滑潔凈，沒(méi)有其他雜質(zhì)，在經(jīng)過(guò)改性后碳纖維表面附著了一層偶聯(lián)劑溶液，使其表面變得凹凸不平，甚至出現(xiàn)深溝槽，增加表面粗糙度，使其與樹脂結(jié)合更加緊密。在圖2（b）以及圖2（B）中可以看出，在未經(jīng)過(guò)改性的碳纖維復(fù)合材料材料斷口出，碳纖維與樹脂之間分離，說(shuō)明此處破壞發(fā)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(shuō)明KH560改性后的碳纖維與樹脂之間的結(jié)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(jié)合處產(chǎn)生了裂縫，說(shuō)明樹脂與纖維產(chǎn)生了脫離，進(jìn)一步說(shuō)明了未改性的碳纖維與樹脂結(jié)合性差，改性之后的斷口處可以看到樹脂與纖維緊密結(jié)合，這是由于經(jīng)過(guò)KH560改性后碳纖維與樹脂潤(rùn)濕性得到改善，提高了碳纖維樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

對(duì)碳纖維進(jìn)行改性后，經(jīng)VARI工藝制備了（T300-3K/ 692-2K）碳纖維樹脂基復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行了拉伸、彎曲性能實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)力學(xué)分析和斷口分析，探究了KH560溶液改性碳纖維對(duì)其性能產(chǎn)生的影響，其結(jié)論如下：

1）經(jīng)拉伸、彎曲性能實(shí)驗(yàn)可知，KH560溶液對(duì)拉伸力學(xué)性能影響較大，對(duì)彎曲力學(xué)性能影響較??；在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，此時(shí)力學(xué)性能為最佳，拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度分別提升了10.97%和3.3%。

2）在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析中，g對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較大，而經(jīng)過(guò)KH560改性后的碳纖維復(fù)合材料g升高，說(shuō)明改性后樹脂與纖維界面之間結(jié)合更加緊密，材料耐溫性也得到提升，力學(xué)強(qiáng)度提高。

3）在斷口分析實(shí)驗(yàn)中可知，經(jīng)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(rùn)濕性也會(huì)變好，因此，樹脂對(duì)于纖維的包裹性更好，從而力學(xué)強(qiáng)度也會(huì) 提升。

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Effect of KH560 on Properties of Carbon Fiber Resin Matrix Composites

,,,,

（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(yáng)市科技局雙百項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：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(fù)合材料與軍用關(guān)鍵材料。

張罡（1963-），男，教授，博士，研究方向：碳纖維復(fù)合材料。