摘 要 本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維特點(diǎn)研制一種新型改性環(huán)氧樹(shù)脂配方，測(cè)試CCF700S碳纖維NOL環(huán)、單向板以及Ф150mm標(biāo)準(zhǔn)容器水壓爆破，并對(duì)爆破后復(fù)合材料結(jié)合 SEM對(duì)碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。試驗(yàn)結(jié)果表明，該改性環(huán)氧樹(shù)脂體系與CCF700S碳纖維浸潤(rùn)性好，界面粘接能力強(qiáng)，力學(xué)性能優(yōu)異，改性環(huán)氧樹(shù)脂體系適用于CCF700S碳纖維濕法纏繞工藝。

關(guān)鍵詞 國(guó)產(chǎn)T700碳纖維；環(huán)氧樹(shù)脂；復(fù)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(yōu)良的力學(xué)性能、耐熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性、電熱傳導(dǎo)性、低熱膨脹性等，且密度低、耐摩擦、耐腐蝕、自潤(rùn)滑［1-4］，作為一種高技術(shù)材料，碳纖維被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、建材交通和文體醫(yī)療等領(lǐng)域［1，5］，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的戰(zhàn)略地位。

近年來(lái)，T700級(jí)碳纖維的國(guó)產(chǎn)化研究取得了較好的成果，逐步擺脫了對(duì)國(guó)外的依賴［6-11］，但是目前國(guó)內(nèi)干噴濕紡法制備的T700碳纖維與日本東麗公司相比，其強(qiáng)度略低，且毛絲多，離散值大，質(zhì)量不穩(wěn)定，與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性差。因此，探索適應(yīng)國(guó)產(chǎn)T700碳纖維纏繞的樹(shù)脂體系以及成型工藝對(duì)國(guó)產(chǎn)T700碳纖維下一步工程化應(yīng)用具有重要意義。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維特點(diǎn)研制一種新型樹(shù)脂配方，測(cè)試國(guó)產(chǎn)碳纖維NOL環(huán)、單向板以及Ф 150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器水壓爆破，并對(duì)爆破后復(fù)合材料結(jié)合 SEM對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2 試驗(yàn)

2.1 主要原材料

改性環(huán)氧樹(shù)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(cè)試

2.2.1 樹(shù)脂體系

對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行取樣，測(cè)試膠液粘度、DSC，并進(jìn)行澆鑄體試樣制備，澆鑄體試樣制備及測(cè)試參照《GB/T2567-2021樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》。

2.2.2 NOL環(huán)

以改性環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，國(guó)產(chǎn)CCF700S碳纖維為增強(qiáng)材料進(jìn)行NOL環(huán)拉伸試件以及剪切試件的制作及測(cè)試，NOL環(huán)試樣制備及測(cè)試參照《GB/T1458-2008纖維纏繞增強(qiáng)塑料環(huán)形試樣力學(xué)性能試驗(yàn)方法》。

2.2.3 單向板

以改性環(huán)氧樹(shù)脂作為樹(shù)脂基體，國(guó)產(chǎn)CCF700S碳纖維為增強(qiáng)材料進(jìn)行單向板濕法纏繞，并參照《GB/T3354-2014 定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》、《GB/T3356-2014 定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》、《JC/T773-2010纖維增強(qiáng)塑料短梁法測(cè)定層間剪切強(qiáng)度》制備及測(cè)試參照進(jìn)行機(jī)械加工及測(cè)試。

2.2.4 Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器

以砂芯模為模具，三元乙丙橡膠做內(nèi)襯，改性環(huán)氧樹(shù)脂作為樹(shù)脂基體，國(guó)產(chǎn)CCF700S碳纖維為增強(qiáng)材料進(jìn)行Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器的纏繞。Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器水壓爆破試驗(yàn)參照《GB/T 6058-2005纖維纏繞壓力容器制備和內(nèi)壓試驗(yàn)方法》。

2.2.5 SEM形貌取樣

在Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器爆破位置取復(fù)合材料進(jìn)行形貌觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 樹(shù)脂性能分析

對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行粘度測(cè)試，粘度曲線如圖1所示。

在濕法纏繞工藝中，樹(shù)脂基體的粘度是主要指標(biāo)之一，理想的濕法纏繞粘度區(qū)間為200 cps-800 cps。粘度太大，纖維無(wú)法完全浸潤(rùn)，容易夾帶氣泡，影響復(fù)合材料致密性；粘度太小，纖維束無(wú)法有效帶膠，制品含膠量偏低［12］。通過(guò)圖1可以看出，改性環(huán)氧樹(shù)脂體系粘度在35-50℃時(shí)均適合復(fù)合材料濕法纏繞工藝。

對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行澆鑄體試件制作，測(cè)定其相應(yīng)力學(xué)性能及熱性能，改性環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂體系基體性能如表1所示。

通過(guò)圖2可以看出，改性環(huán)氧樹(shù)脂體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為106.764 ℃。

通過(guò)表1可以看出，改性環(huán)氧樹(shù)脂體系的物理性能及力學(xué)性能優(yōu)異，均適合復(fù)合材料濕法纏繞工藝。

3.2 NOL環(huán)試件

為了檢驗(yàn)改性環(huán)氧樹(shù)脂體系和CCF700S 碳纖維的界面粘接性能，進(jìn)行了NOL環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2可以看出，CCF700S/改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料NOL環(huán)性能優(yōu)異。這表示改性環(huán)氧樹(shù)脂基體與CCF700S碳纖維界面之間的浸潤(rùn)性及粘接性良好，復(fù)合材料在剪切及拉伸破壞時(shí)傳遞應(yīng)力的能力較強(qiáng)。

3.3 單向板試件

濕法纏繞成型單向板試件力學(xué)性能如表3所示。

通過(guò)表3可以看出，改性環(huán)氧樹(shù)脂體系制作的CCF700S 碳纖維單向板力學(xué)性能優(yōu)異。這是因?yàn)楦男原h(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)性與 CCF700S碳纖維表面使用的上漿劑匹配，其界面結(jié)合力強(qiáng)，復(fù)合材料在橫向拉伸破壞、彎曲破壞以及層間剪切破壞時(shí)傳遞應(yīng)力的能力強(qiáng)，因此該樹(shù)脂體系適用于CCF700S碳纖維。

3.4 Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器

Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器生產(chǎn)完成后，進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)并進(jìn)行過(guò)程水壓環(huán)向應(yīng)變檢測(cè)。爆破強(qiáng)度為36.0 MPa，爆破后狀態(tài)如圖 3所示，環(huán)向應(yīng)變?nèi)绫?所示。

Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器水壓爆破為分段式破壞形式，這說(shuō)明載荷通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維之間進(jìn)行有效傳遞，碳纖維共同承載，最后會(huì)發(fā)生分段式破壞。爆破過(guò)程中采集各級(jí)壓強(qiáng)下的環(huán)向應(yīng)變，環(huán)向應(yīng)變逐級(jí)遞增，也說(shuō)明纖維共同承載，載荷通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維之間傳遞有效。

3.5 SEM

在Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器爆破位置取復(fù)合材料進(jìn)行形貌觀察，如圖5所示。

界面是復(fù)合材料極為重要的微觀結(jié)構(gòu)，其性能的優(yōu)劣直接影響基體與增強(qiáng)體之間的載荷傳遞效率，對(duì)復(fù)合材料的物理、化學(xué)及綜合力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用［13-14］。通過(guò)Ф150 mm標(biāo)準(zhǔn)容器爆破位置取樣掃描電鏡可以看出，標(biāo)準(zhǔn)容器經(jīng)歷爆破試驗(yàn)后改性環(huán)氧樹(shù)脂仍與碳纖維兩相之間界面結(jié)合，粘接能力強(qiáng)，該樹(shù)脂體系與CCF700S具有良好的匹配性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂體系性能分析，表明該改性環(huán)氧樹(shù)脂體系力學(xué)性能優(yōu)異。

（2）通過(guò)對(duì)CCF700S碳纖維/改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料NOL環(huán)力學(xué)性能、單向板力學(xué)性能、標(biāo)準(zhǔn)容器爆破試驗(yàn)分析，表明復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異。

（3）通過(guò)對(duì)CCF700S碳纖維/改性環(huán)氧樹(shù)脂標(biāo)準(zhǔn)容器爆破后SEM形貌分析，表明該改性環(huán)氧樹(shù)脂體系與CCF700S碳纖維浸潤(rùn)性好，界面粘接能力強(qiáng)，改性環(huán)氧樹(shù)脂體系適用于CCF700S碳纖維濕法纏繞工藝。

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通訊作者：伊翠云，女，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣δ軓?fù)合材料。E-mail： yicy2006@163.com