碳纤维表面状态及其复合材料界面对比
碳纤维表面接枝聚合物及其对复合材料界面的影响
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒｃ
Ｔｈ ｒｉ ｅｍａ ｌ ｒ ｖ ｗｓｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ａ ｂ ｎ ｆ ｅ ｕ ｆｃ ｒ ｆ ｎ ｏｙ ｒ ａｉｎ ｎ ｌｄｎ ｅａｔ ｌ ｃ ｉ ｙ ｅ ｉ ｈ ｔｏ ｆ ｒ ｏ ｉ ｒｓ ｒａ ｅｇ ａ ｔ ｇ ｐ ｌｍｅｉ ｔ ，ｉｃｕ ｉ ｎ ｅ ｃ ｂ ｉ ｚ ｏ ｇ
面的影响 。
甲基 乙烯醚一 马来酸酐 、 乙烯 丙烯共 聚物 、 烯烃一 酸酐和 双 ｎ 马来 丙酮丙烯艘胺等不饱和单体， 利用电极反应产生的自由基 ， 使单 体在碳纤维表 面发生 Ｓｒ Ｅｑ ａ ｅ ，系统研究 了利用 电化学接枝 法在碳纤 维表面 ａ４ 接枝上 ３ 一 甲基噻吩 、 咔唑共 聚物 ， 并且 采用 多种 测试 手段对 接
ＨＵＡＮＧ ｉｈ ， Ｉ Ｚ ｉｏ ｇ ＱＩ Ｊｎ ｅ Ｌ Ｎ ｈｙ ｎ ， ＡＮ ｏ Ｈａ
（ ｌ ｇ ｆＭａ ｅｉｌ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒ ｇ，Ｈｕ ｑａ ｉｅｓｔ Ｃｏｌ ｅｏ ｔｒａｓ ｃｅ ｃ ｎ ｇｎ ｅｉ ｅ ｎ ａ ｉｏＵｎｖ ｒｉ ｙ，Ｑｕ ｎ ｈ ｕ ３ ２ ２ ） ａ ｚ ｏ ６ ０ １
加入丙烯酸酯类 、 乙烯 、 苯 醋酸 乙烯 、 丙烯腈 、 苯乙烯一 马来酸酐 、
极氧化法 、 等离子体氧 化法 、 表面涂 层法 、 表面 净化法等 上述 的几种表面处理方法虽然可 以在一定程度上提高碳纤维 与基体 树脂的界面粘结 强度 ， 这往往 是以牺牲 复合材 料的界 面剪切 但 强度为前提的。近 ２ 年发 展起来 的在碳 纤维表 面接枝 聚合物 Ｏ 层的处理 方法 ， 通过选择性地接枝各种高 聚物 ， 实现在碳纤维表
摘要
关 键 词
综述 了碳 纤维表 面接枝 聚合物 的各种 方法， 包括 电聚合 、 电沉积 、 离子体接枝 聚合 、 等 化学接枝 聚合 等 ；
几种碳纤维的表面状态表征与分析
文章编号:1000-3851(2001)03-0038-05收稿日期:2000-10-13;收修改稿日期:2000-11-03作者介绍:张佐光(1952),男,博士,教授,主要从事高性能树脂基复合材料方面的研究。
几种碳纤维的表面状态表征与分析郭慧玲1,仲伟虹1,张佐光1,张宝艳2,益小苏2(1.北京航空航天大学材料科学与工程系,北京100083;2.北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095)摘 要: 使用扫描电镜、原子力显微镜与X 射线光电子能谱仪,对T300,T700,T800,AS4四种碳纤维的表面进行物理与化学表征和分析。
用扫描电镜观察得出T 300,T 800表面物理形态相近,T 700表面较光滑但有絮状浆料,AS 4表面极光滑且直径较大。
原子力显微镜揭示了碳纤维更微观的形貌,T 300与T 800的形貌差别清晰可见。
XPS 定量分析技术表明,T 300,T700,T800表面的活性基本相同,AS4则较差。
纤维表面状态的这些差异体现在其复合材料的界面力学性能上。
关键词: 碳纤维;表面状态;表征中图分类号: TB 332 文献标识码:ACHARACTERIZATION AND ANALYS IS ON SEVERAL CARBON FIBERSGUO Hui -ling ,ZHONG Wei -hong ,ZHANG Zuo -guang ,ZHANG Bao -ya n ,YI Xiao -su(1.College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China;2.The National Key Laboratory of Advanced Composites ,Beijing Institute of Aeronautica l Ma terials ,Beijing 100095,China )Abstract : The physical and chemical chara cteriza tion a nd a nalysis on the surfa ce of four ca rbon fibers (T300,T700,T800and A S4)were performed by SEM,AFM and XPS.Observed by SEM,the surface physica l morphology of T 300a nd T 800wa s similar ,the surfa ce of T 700wa s glossier a nd ha d floccules a nd the surface of AS4was most glossy and ha d la rger dia meter.More micromorphology of ca rbon fibers were revealed ,the difference on surfa ce sta te of T 300a nd T 800were great .Qua nti-ta tive ana lysis by XPS,the surface activity of T300,T700and T800were materia lized on the me-cha nica l property of composites'interface .Key words: ca rbon fibers;surfa ce sta te;characteriza tion 随着航空航天领域对材料性能要求的提高,高性能碳纤维T 700,T 800,A S 4复合材料的应用越来越广泛。
碳纤维表面和界面性能研究及评价
碳纤维表面和界面性能研究及评价一、本文概述碳纤维作为一种高性能的新型材料，因其独特的力学、热学和电学性能，在众多领域如航空航天、汽车制造、体育器材等中得到了广泛应用。
碳纤维的优异性能在很大程度上取决于其表面和界面的特性，因此，对碳纤维表面和界面性能的研究及评价具有非常重要的意义。
本文旨在全面深入地探讨碳纤维表面和界面的性能，包括表面形貌、化学结构、物理性质等方面，并通过对这些性能的评价，为碳纤维的制备、改性和应用提供理论依据。
文章将概述碳纤维的基本特性及其应用领域，然后重点介绍碳纤维表面和界面的性能研究方法，包括表面形貌观察、化学结构分析、物理性能测试等。
在此基础上，文章将评价不同表面处理方法和界面改性技术对碳纤维性能的影响，以期为提高碳纤维的综合性能和应用效果提供指导。
通过本文的研究，我们期望能够更深入地理解碳纤维表面和界面的性能特点，为碳纤维的进一步发展和应用提供有力支持。
也希望本文的研究成果能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、碳纤维表面性能研究碳纤维作为一种高性能的新型材料，其表面性能对其整体性能和应用领域具有重要影响。
因此，对碳纤维表面性能的研究成为了材料科学领域的一个研究热点。
碳纤维表面性能主要包括表面形貌、表面化学结构、表面能等方面。
表面形貌是指碳纤维表面的微观结构和粗糙度，它直接影响到碳纤维与基体之间的界面结合强度。
通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等表征手段，可以观察到碳纤维表面的微观形貌，从而评估其表面质量。
表面化学结构是指碳纤维表面的官能团和化学键合状态，它决定了碳纤维的润湿性和与基体的相容性。
通过射线光电子能谱（PS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等分析技术，可以揭示碳纤维表面的化学结构，为改善其界面性能提供理论依据。
表面能是指碳纤维表面单位面积上的自由能，它反映了碳纤维与液体或气体的相互作用能力。
表面能的大小直接影响到碳纤维的浸润性和粘附性。
碳纤维复合材料的表界面
复合材料界面的控制
❖ 复合材料界面的控制是通过界面粘合状态、界面层特性的调 整及控制以使复合材料达到最佳的综合(如强度、韧性等方面) 性能。 ❖ 孤立地将界面认为是零厚度的二维面，仅考虑该面两侧的粘 接问题是远远不够的。 ❖ 界面是具有一定厚度的、存在于增强纤维与树脂基体之间的 过渡区。 ❖ 探讨界面层所需的性能，调整界面相结构，来控制复合材料 的性能。
structure and property characters of the interlayer
A. 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样 界面区至少包括： 基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分；
B. 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向 变化而变化，具有“梯度”材料性能特征；
碳纤维非氧化处理：主要用于C/C复合、CMC、MMC复合体系。
15
碳纤维表面的含氧官能团的数量起着决定性作用， 数量越多结合力越强。碳纤维表面含氧官能团主要有羧 基、羟基和羰基等。
碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意图
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臭氧氧化法
臭氧氧化法： 碳纤维表面的不饱和状态的碳原子进行氧化，使 其生成含氧官能团。
9
界面残余应力
1）热残余应力 热膨胀系数的不同、环境温度的变化是多组分材料存在热残余
应力的根本原因。 高性能树脂基复合材料多半高温固化成型，成型温度与使用温
度有很大差别；增强纤维与基体间热膨胀系数也存在很大差异。 2）固化残余应力 环氧、酚醛、不饱和聚酯、聚酰亚胺等树脂，在固化过程中都
伴随着体积收缩。 纤维具有较高模量，树脂基体的固化收缩会在材料内部形成很
碳纤维电化学表面处理前后XPS表面化学分析结果
碳纤维及其复合材料的优劣势解析
基于多层次图像分割与融合的物体识别技术研究摘要：物体识别在计算机视觉领域中具有重要的应用价值，然而由于图像中的物体存在不同的尺度、复杂的背景以及变化的光照条件等因素，仅仅依靠传统的图像分割方法往往无法准确地实现物体的识别。
因此，本文提出了一种基于多层次图像分割与融合的物体识别技术，通过分析图像中的不同层次特征并将它们融合起来，以提高物体识别的准确性和稳定性。
实验证明，该方法在不同数据集上具有较好的性能，在物体识别任务中具有广泛的应用前景。
关键词：物体识别；图像分割；层次特征；融合技术1. 引言物体识别是计算机视觉领域中的一个重要研究方向，它可以应用于图像检索、自动驾驶、机器人导航等众多领域。
然而，由于图像中的物体存在尺度、光照条件和背景等方面的差异，对于物体的准确识别仍然是一个挑战性的问题。
传统的图像分割方法通常在像素级别对图像进行分割，忽略了物体的层次结构信息。
因此，本文提出了一种基于多层次图像分割与融合的物体识别技术，旨在有效地提高物体识别的准确性和稳定性。
2. 方法2.1 图像分割在物体识别任务中，图像分割是关键的一步，它可以将图像中的物体与背景进行有效地分离。
本文采用了一种基于超像素分割的方法，通过将图像分割成多个连续的区域，即超像素，来获取图像的局部特征。
该方法能够有效地减少图像噪声对分割结果的影响，并提高物体边界的准确性。
2.2 层次特征提取为了充分利用物体的层级结构信息，本文提出了一种基于卷积神经网络（CNN）的层次特征提取方法。
该方法通过设计多个不同尺度的卷积网络，分别提取图像的细节特征和整体特征。
同时，我们还引入了感兴趣区域（ROI）的概念，将ROI与不同层级的特征进行融合，以提高物体识别的准确性。
2.3 特征融合在物体识别任务中，特征融合是一个重要的步骤，它能够充分利用不同层次特征的信息，提高物体识别的准确性。
本文采用了一种基于注意力机制的特征融合方法，即通过分析不同层次特征的权重，将它们融合成最终的物体特征表示。
不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比
第36卷 增刊1 稀有金属材料与工程 V ol.36, Suppl.1 2007年 8月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING August 2007收稿日期：2007-02-28作者简介：王 松，男，1976年生，博士，国防科技大学CFC 国防科技重点实验室，湖南 长沙410073，E-mai ：wangsong0731@不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比王 松，陈朝辉，李 伟(国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室，湖南 长沙 410073)摘 要：对比研究了进口T300碳纤维和国产JC2#纤维的表面状态及其在C/SiC 复合材料中形成的界面状态。
结果显示T300纤维表面O 和N 杂原子含量丰富，其C 原子含量仅为86.0%；而JC2#纤维的表面C 原子含量达到93%。
与JC2#纤维相比，T300纤维的表面更为粗糙，其表面沟槽粗壮杂乱。
在C/SiC 复合材料中，T300纤维与SiC 基体紧密结合，经界面微脱粘法测试得出T300纤维与基体的界面微脱粘载荷是JC2#纤维的2倍。
高表面活性和粗糙物理表面是T300纤维在C/SiC 复合材料中形成强界面结合的根本原因。
关键词：碳纤维；表面；界面；复合材料中图法分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2007)S1-0608-031 前 言碳纤维自问世以来，凭借自身优异的高比强度、高比模量，抗腐蚀耐高温等性能，广泛应用于各类复合材料。
在复合材料中，碳纤维作为增强相必须通过纤维-基体界面才能实现增韧和补强的双重功效[1,2]。
纤维-基体界面性能主要由基体性能、复合成型工艺及纤维表面状态决定，其中纤维表面状态对复合材料界面及最终性能有着较大的影响。
碳纤维表面状态包括表面化学状态与表面物理状态：表面化学状态决定纤维-基体化学界面的结合强弱；表面物理状态决定界面的物理结合强弱。
不同碳纤维具有特有的表面状态，从而形成不同状态的复合材料界面。
碳纤维／TDE85环氧树脂复合材料界面性能的研究
ＣＣＦ３００，Ｍ ２８５．【Ｉ】５８．４４ ２８６．１０ ２９．３３ ２８７．４ ５．４７ ２８８．７ ５．８７ ２９０．６ １．８９ ４１．５６
（２）接 触 角试样 制 备 将 纤维 放在 烘箱 中烘 干 以除 去表 面 的水分 和 其 他 杂质 ，随 后剪 成 ５０ｍｍ 长 的小 段 ，任 意抽 取 ４根 单 丝 垂直 等 间距 的 固定 在 事 先 做 好 的 纸 质 夹具 上 ，切 除多余 部 分 ，使 其露 出夹 具部 分 的长度 尽 量相 等 ，大 约 为 ８ｒａｍ。 （３）微滴 脱 粘试样 制 备 将碳纤维固定在硬纸板制作 的夹具上 ，使用钢 针在纤 维 上轻 轻地 点上 配 好 的 ＴＤＥ８５复 配胶 液 ，然 后将 碳 纤 维 移 到 烘 箱 中 ，按 ６Ｏ℃ 、８０￣Ｃ、１３０￣Ｃ依 次 恒 温 ２ｈ、２ｈ、４ｈ，然后 自然 冷 却 到 室温 的 固化 制度 固 化树脂 ；取 出固化好 的碳 纤维 样 品 ，为 保 持纤 维 处 于 紧绷伸 直 状态 ，以保 证 在 界 面 强度 测试 过 程 中数 据 的准 确性 ，先用 双 面胶 把纤维 固定 在纸 板 上 ，然后 用 ５０２胶水再 次 固定 纤维 。 １．３ 分析 测试 采用 ＰＨＩ５７００型光 电子 能谱 仪分 析碳 纤维 表 面 的化 学成 分 ，包 括 元 素 和 官 能 团 分 析 ；使 用 ＤＣＴ２１ 测量 仪 测 试 碳 纤 维 与 环 氧 树 脂 的 接 触 角 ；利 用 ＨＭ４１０界面评 价 装 置 ，采 用 微 滴 脱 粘 的 实 验 方 法 ， 测试 碳纤 维 与 ＴＤＥ８５环 氧 树 脂 单 纤 维 复 合 材 料 的 界 面剪切 强 度 。
了表征 ，ＸＰＳ结果表 明 ，与树脂复合后 ，碳纤维表 面官能 团的含 量、结构及化学环境都发 生了明显 的变化 ，界 面产生 了较强 的物 理和化 学作 用。利用 ＤＣＴ２１测量仪测试碳纤维与环氧树脂 ＴＤＥ８５的接 触角，分析 了纤维与树 脂的润 湿性 ，实验 结果显 示纤维 与树脂 的润 湿性 良好 。在此基础上 ，通过微滴脱粘方法测量纤维与树脂 的界 面剪切强度 ，以表征其界 面粘结性 能。微 滴脱 粘 的 实验 结果 显 示 ，Ｔ８００／ＴＤＥ８５体 系的 ＩＦＳＳ值 高 达 ７９．７ＭＰａ，比 Ｔ３００／ＴＤＥ８５、ＣＣＦ３０／ＴＤＥ８５０体 系分 别 高 ２１％ 、２４％ 。
三种T700级碳纤维及其复合材料性能比较-宇航材料工艺
０ 引言 聚丙烯腈基碳纤维具有高比强度、高比模量、耐
高温、耐腐蚀、抗疲劳和低热胀系数等优异特性ꎬ是发 展先进 一 代 运 载 火 箭、 战 略 导 弹 的 关 键 性 基 础 材 料[１－３] ꎮ 根据拉伸性能指标ꎬ聚丙烯腈基碳纤维可以 分为通用标模型( Ｔ３００ 级) 、高强标模型( Ｔ７００ 级) 、 高强中模型( Ｔ８００ 级) 及高模型碳纤维ꎮ 国外航天结 构系统已经实现采用高强型 Ｔ７００ 级碳纤维取代通用 型 Ｔ３００ 级碳纤维应用于制备复合材料主承力结构 件[４－５] ꎮ 目前ꎬ我国也突破了 Ｔ７００ 级碳纤维工程化
收稿日期:２０１６ － ０４ － ２９ 作者简介:李桂洋ꎬ１９８５ 年出生ꎬ博士ꎬ主要从事耐高温热固树脂的设计与合成及先进树脂基复合材料成型工艺研究ꎮ Ｅ－ｍａｉｌ:ｇｕｉｙａｎｇ＿ｌｅｅ＠ ｏｕｔｌｏｏｋ.ｃｏｍ
— ３２ —
宇航材料工艺 ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ.ｙｈｃｌｇｙ.ｃｏｍ ２０１６ 年 第 ４ 期
ＬＩ Ｇｕｉｙａｎｇ ＬＩ Ｊｉａｎｆａｎｇ ＹＡＮＧ Ｙｕｎｈｕａ ＧＵＯ Ｈｏｎｇｊｕｎ ＳＵＮ Ｈｏｎｇｊｉｅ
( Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６)
三种 Ｔ７００ 级碳纤维及其复合材料性能比较
李桂洋 李健芳 杨云华 郭鸿俊 孙宏杰
( 航天材料及工艺研究所ꎬ北京 １０００７６)
文 摘 对 ＭＴ７００、Ｔ７００－Ａ 及 Ｔ７００－Ｂ 三种碳纤维拉伸性能、表面形貌、单向板力学性能及网格加筋圆筒
碳纤维表面处理及其复合材料性能研究
2020年01月碳纤维表面处理及其复合材料性能研究张安花（厦门新凯复材科技有限公司，福建厦门361021）摘要：碳纤维具有耐高温、导电、导热、耐腐蚀等性能，可制作成各种复合材料产品，应用于不同领域中。
为提升航空复合材料强度，研究使用浓硝酸、浓硝酸超声处理碳纤维表面，经处理会影响碳纤维表面的微结构、表面化学组成，达到增强复合材料性能效果。
关键词：碳纤维；表面处理；复合材料性能碳纤维主要和树脂等材料复合，具有增强作用，可制造出更先进的复合材料。
但因类石墨结构其表面存在一定化学惰性，很难浸润树脂及化学反应，表面难与树脂结合，进而影响复合材料强度。
故需改变碳纤维表面性质，以增加碳纤维表面的极性官能团及表面活化，进而更容易浸润和发生化学反应，使复合材料界面更紧密连接而增加强度。
通常采用偶联剂涂层法、氧化法、等离子等处理方法.在航空领域因耐燃效果需求高使用酚醛树脂，而市面上的碳纤维较少有偶联剂涂层适用酚醛树脂，本文研究液相氧化法与超声协同处理碳纤维表面，达到增加酚醛树脂碳纤维复合材料强度。
1实验方法1.1碳纤维表面处理方法（1）碳纤维表面的上浆剂脱除选用PAN 基碳纤维，型号为Toray T700，使用乙醇/丙酮进行回流处理，其体积比为1:1，处理时间为48h ，将碳纤维表面的上浆剂(即偶合剂)脱除（2）脱浆后碳纤维再进行表面处理处理方法有两种:第一，在浓硝酸中浸泡，温度为60℃，处理时间为2h ；第二，浓硝酸超声处理2h ，浓度为65%，250E II 型超声波，功率和频率分别为250W 和40kHz 。
所有处理工作的结束后，去离子水清洗碳纤维，使其为中性，再在真空中烘干，温度为80℃，直到碳纤维恒重量为止。
1.2复合材料制备采用碳纤维与PF475酚醛树脂制成复合材料预浸布，酚醛树脂与异丙醇制成固成份70%的树脂，使用缠绕法进行制作预浸材，制成纤维含量FAW 100g/m 2，树脂含量RC%37%，用55度将溶剂烘烤至VC%1%以下的预浸材，再将预浸材进行积层堆叠成试片，采用成型温度160度，时间50min 进行加压固化，制成2mm 厚度复材试片。
碳纤维及其复合材料性能测试方法和评价指标
碳纤维及其复合材料性能测试方法和评价指标周嫄娜，李炜【摘要】摘要:从宏观和微观两个角度综述了碳纤维及其复合材料性能的常用测试方法。
表明浸润性是表征树脂浸入纤维的重要参数，接触角、表面能、粘附功是表征浸润性常用的指标；纤维表面性能如粗糙度、化学特性等都影响着复合材料界面粘结性能，常用SEM、AFM、XPS等手段测试；复合材料界面结合强度的大小反应了复合材料力学性能的好坏。
【期刊名称】高科技纤维与应用【年(卷),期】2014(039)006【总页数】6【关键词】关键词:碳纤维；复合材料；性能；测试方法；评价指标碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、质量轻、耐疲劳、耐酸碱、热膨胀系数小等优点，广泛应用于航空航天、体育休闲、交通运输、生物医用等方面[1]。
而由于碳纤维表面为呈现惰性的乱层石墨结构，其表面能较低，与树脂的界面结合较弱，复合材料界面性能较差，从而影响了复合材料优异性能的发挥。
树脂对纤维表面的良好浸润性能是纤维与树脂形成紧密界面结合的首要条件；纤维表面的粗糙程度及其表面极性官能团种类与数量等表面特性影响了纤维与树脂结合的紧密程度；界面是复合材料性能薄弱区，界面结合强度的大小影响了复合材料整体性能的好坏。
从浸润性、纤维表面特性和界面结合强度3个方面介绍了碳纤维及其复合材料常用的测试方法。
1 浸润性浸润现象亦称润湿现象，是液体与固体表面接触时，液体的附着层沿固体表面延伸的现象。
纤维与树脂的浸润性好坏表示树脂浸入到纤维束的难易程度。
如果纤维与树脂的浸润性不好，树脂不能充分进入到纤维束，会使得纤维与树脂不能很好的结合，最终会使得复合材料中包含空隙和缺陷，影响复合材料的最终力学性能。
接触角、表面能和粘附功是3 种常用表征复合材料浸润性能的方法。
1.1 接触角在气、固和液3相交界处做气液界面和固液界面的切线，如图1所示，两切线通过液体内部所形成的夹角（θ）即称为接触角。
接触角是描述液体对固体润湿能力或润湿程度的一个重要指标，接触角越小，液体在固体表面越容易铺展开，表明液体对固体的浸润性越好；反之，接触角越大，液体在固体表面越不容易铺展，说明液体对固体的浸润性越差。
两种T700碳纤维表面特性及其复合材料界面性能
纤维 的表 面化学 特 性 ； 采 用 视 频光 学 接 触 角 测 量 仪 （ Ｄ ａ ｔ ａ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｅ ｓ Ｏ Ｃ Ａ ２ ０ ） 测 定 纤 维 和 树 脂 形 成 的接 触 角， 分 析两 种碳 纤 维 的 表面 浸 润 性 。在 万 能 材 料 试
验机 （ Ｉ Ｎ Ｓ Ｔ Ｒ Ｏ Ｎ ． １ １ ２ １型 ） 上， 依 据 标准 Ｊ Ｃ ／ Ｔ ７ ７ ３ —
树 脂 的性能 ， 而 且 与 两者 之 间 界 面 的性 质 以及 界 面 粘 结强 度 密 切 相 关 。 碳 纤 维 的表 面 特 性 直 接 影 响 复合材 料 的界 面性 质 和界 面粘 结 强 度 ， 进 而 影
仪（ Ｘ Ｐ Ｓ ， Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ Ｆ ｉ ｓ ｈ ｅ ｒ Ｅ Ｓ Ｃ Ａ Ｌ Ａ Ｂ ２ ５ ０型 ） 分 析 两 种
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３— ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ３ ０— ０ ５
碳 纤 维增 强 树 脂基 复合 材 料 具有 质 量 轻 、 高 比 强度 、 高 比模量 、 耐腐 蚀 、 耐 疲 劳 和 可设 计 性 强 等 一
材质表面碳纤维纹理的呈现方式
材质表面碳纤维纹理的呈现方式碳纤维是一种轻质且高强度的材料，具有独特的表面纹理，因此
在各种领域广泛应用。
碳纤维表面的纹理呈现方式可以通过不同的工
艺和加工方式来实现，下面将详细介绍几种常见的碳纤维表面纹理呈
现方式。
1.碳纤维编织布表面纹理：碳纤维编织布是将碳纤维纱根据特定
的编织方式编织而成的，其表面呈现出一种网格状的纹理。
这种纹理
通常具有规整的纹理方向和纹理大小，能够有效增强材料的强度和刚度，常用于制作复合材料结构件。
2.碳纤维纤维束表面纹理：碳纤维纤维束是将多根碳纤维纱捆绑
在一起形成的，其表面呈现出一种笔直且平整的纹理。
这种纹理通常
具有高度的均匀性和一致性，能够有效提高材料的抗拉强度和耐磨性，常用于制作高性能的碳纤维制品。
3.碳纤维复合材料表面纹理：碳纤维复合材料是将碳纤维与树脂
或其他基体材料复合而成的，其表面呈现出一种光滑且均匀的纹理。
这种纹理通常具有良好的外观效果和表面光泽，能够提高制品的视觉质感和品质感，常用于制作高端汽车零部件和航空航天产品。
4.碳纤维拉伸膜表面纹理：碳纤维拉伸膜是将碳纤维薄膜经过特定的拉伸工艺形成的，其表面呈现出一种细密且均匀的纹理。
这种纹理通常具有较高的平整度和表面光洁度，能够增强材料的柔韧性和耐久性，常用于制作高端电子产品和运动器材。
总的来说，碳纤维表面纹理的呈现方式取决于材料的加工工艺和制备方法，不同的纹理呈现方式能够为材料赋予不同的性能和外观特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。
在今后的发展中，碳纤维表面纹理的设计和控制技术将继续得到进一步完善，为碳纤维材料的应用提供更多样化的选择和解决方案。
两种国产T800级碳纤维界面状态及复合材料力学性能研究
第1期纤维复合材料㊀No.1㊀32024年3月FIBER ㊀COMPOSITES ㊀Mar.2024两种国产T800级碳纤维界面状态及复合材料力学性能研究王㊀涵,周洪飞,张㊀路,李是卓(中航复合材料有限责任公司,北京100000)摘㊀要㊀研究了两种国产T800级碳纤维界面状态及复合材料力学性能,结果表明,与B 类纤维相比,A 类纤维表面形貌粗糙度高约23%㊁O /C 含量高约7.4%㊁活性C 含量高约20%,微观剪切强度高约10%,A 类纤维增强的复合材料冲击后压缩强度比B 类纤维高约8%㊂A 类纤维与树脂形成更好的化学与物理结合,界面结合作用较好㊂关键词㊀T800级碳纤维;界面;表面活性;力学性能Study on the Interface State of Different Domestic T 800Carbon Fibers and the Mechanical Properties of CompositesWANG Han,ZHOU Hongfei,ZHANG Lu,LI Shizhuo(AVIC Composites Co.,Ltd.,Beijing 100000)ABSTRACT ㊀The interface state and mechanical properties of two kinds of domestic T800carbon fibers were studied.The results showed that compared with class B fibers,the surface roughness of class A fibers was about 23%higher,the O /C content was about 7.4%higher,the active C content was about 20%higher,and the microscopic shear strength was about 10%higher.The compressive strength of Class A fiber reinforced composites after impact is about 8%higher than that of class B fiber.Class A fiber and resin form a better chemical and physical bond,and the interface bond is better.KEYWORDS ㊀T800carbon fiber;interface;surface activity;mechanical properties项目支持:国家重点研发计划资助(2022YFB3709100)通讯作者:周洪飞,男,研究员㊂研究方向为先进树脂基复合材料㊂E -mail:wanghan6583@1㊀引言碳纤维复合材料是由增强体碳纤维和基体树脂复合而成,具有明显优于原组分性能的一类新型材料[1],具有较高的比强度㊁高比模量和优异的耐腐蚀的性能,被广泛的应用于航空㊁船舶㊁航天等领域㊂在碳纤维复合材料里,碳纤维起到增强作用,承接作用力和传递载荷,树脂作为基体通过界面作用将载荷传递到纤维㊂因此当复合材料受到外力作用时,界面起到传递载荷的作用就显得尤为重要,界面的性质和状态直接影响复合材料的综合力学性能[2],是影响复合材料力学性能的关键点,也是近期国内外学者研究的热点之一㊂碳纤维增强树脂基复合材料的界面不是特指增纤维复合材料2024年㊀强体纤维和基体树脂之间的单纯几何层,而是泛指纤维与树脂之间的包括几何层在内的界面层[3]㊂在该结构层内,增强体纤维与基体树脂的微观结构与性质都存在不同程度的差异,这不仅取决于纤维与树脂的结构和性质,还受到复合材料固化工艺㊁成型工艺等其他因素影响,如碳纤维在出厂前会进行上浆处理,上浆剂的浓度㊁厚度及种类都会大大影响纤维与树脂的界面结合㊂目前国内外学者对纤维与树脂的界面结合提出几种理论,如化学键结合理论㊁机械啮合理论㊁树脂浸润理论等[4]㊂经过大量的实验研究,结果表明,纤维与树脂的界面结合不是由某一种理论完全解释的,这是多种作用相互协调㊁共同作用的结果[5]㊂Thomsomn等人[6]通过对比多种纤维与多种树脂的界面结合实验,认为纤维与树脂复合使得纤维表面的分子链活动受到限制,根据界面浸润理论,纤维经过树脂浸润后,纤维选择性吸收树脂组分,而后表面形成一层具有刚性结构的界面层,当纤维增强复合材料经过一定温度㊁压力条件下固化成型后,界面层会变得非常复杂,界面层显得更加尤为重要[7]㊂而化学键理论认为,纤维与树脂结合的过程中,主要是范德华力起主导作用[8]㊂目前对于纤维与树脂的界面表征主要包括纤维微观结构㊁纤维表面活性以及纤维与树脂的界面结合强度㊂纤维微观结构可以通过扫描电镜㊁原子力纤维镜等手段实现,纤维表面活性可以通过IGC直接测得纤维活化能,也可以通过间接方式XPS对纤维表面元素及官能团表征计算,从而间接获得纤维活化能;或者通过接触角实验,纤维与不同极性和非极性溶剂接触,通过接触力衡量纤维表面活性㊂纤维与树脂的界面结合强度主要有微脱粘实验和复合材料层间剪切强度,前者是单丝级别,后者是宏观力学级别,数据可靠度都很高,也是目前国内外大量学者常用的表征纤维与树脂界面的方式㊂本文首先通过观察纤维表面形貌㊁测试纤维表面原子含量和纤维与树脂微观结合力,对比两种国产T800级碳纤维界面状态,并制备了复合材料层合板,目的为国产T800级碳纤维应用及其增强的复合材料界面性能研究提供一定的数据支撑和参考意义㊂2㊀实验材料及方法2.1㊀原材料实验采用两种同级别但不同界面的国产A类碳纤维和B类碳纤维,两种纤维的具体信息如表1所示,实验所用树脂为某国产高性能高温环氧类树脂㊂表1㊀两种纤维基本信息批次拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂伸长率/%线密度/(g/km)体密度/(g/cm3)直径/mm长㊁短径比A6324300 2.10450 1.8 5.10 1.04 B6334297 2.13453 1.8 5.13 1.02㊀㊀2.2㊀试样制备2.2.1㊀碳纤维去上浆剂碳纤维在出厂前会在表面涂刷一层上浆剂,目的减少纤维在后续使用过程中造成的磨损㊁打结和并丝现象发生,提高纤维集束性,增加纤维与树脂的浸润性,保护纤维[9]㊂为了更加直观清晰的观察和研究碳纤维本征性能与碳纤维增强树脂基复合材料界面之间的关系,需要对已经上过浆的碳纤维进行去剂㊂本实验按照国标中索式萃取试验方法对两种不同界面的国产T800级A类碳纤维和B类碳纤维进行去剂处理㊂首先将一定长度的碳纤维放置在温度23ʃ2ħ㊁相对湿度50ʃ10%的标准环境下调湿6h以上,将调湿后的碳纤维放置于索氏提取器中,并加入足量的丙酮以确保回流循环,调节加热炉功率,使索氏提取器2h至少完成8次循环,而后萃取36h,关掉加热炉㊂经过一定时间萃取后的碳纤维从索氏提取器中取出,冷却10min,放置于105ʃ5ħ的鼓风烘箱内干燥5h,最后再放入干燥器中进行冷却,温度降至室温即可㊂2.2.2㊀微脱粘制样制备将单根碳纤维(单丝)从碳纤维试样丝束中分离出来,将其拉直并粘贴在回型支架上,如图1所示,高性能高温环氧类树脂在烘箱内50ħ保温30 min,再与二氯乙烷10ʒ1的比例配制树脂液,并迅速搅拌均匀,将配制好的树脂液常温下在真空烘箱里抽真空20min,取出树脂,用大头针蘸取少量配制好的树脂液,轻涂抹于碳纤维单丝上,将试样放于鼓风烘箱里在130ħ下固化30min㊂4㊀1期两种国产T800级碳纤维界面状态及复合材料力学性能研究图1㊀微脱粘试样示意图2.3㊀测试与表征使用Quanta 450FEG 场发射扫描电子显微镜(SEM)两种不用界面的T800级碳纤维表面形貌㊂将一束碳纤维用手术刀平齐切断,分别用导电胶带将平齐切断的碳纤维垂直粘贴在铝制载物台上,对粘在导电胶上的纤维表面喷金,经过两次喷金后放入SEM 内观察,电子加速电压为20~50kV,束流1pA,放大倍数50~8000X㊂采用Dimension ICON 原子力显微镜(AFM)观察碳纤维三维立体形貌,通过探针针尖与样品微弱作用力获取纤维表面粗糙度,扫描面积为5μm ˑ5μm,扫描频率为1.0Hz㊂采用X 射线光电子能谱仪(美国ThermoFisch-er,ESCALAB 250Xi)测试碳纤维表面元素组成及化学官能团,分析室真空度8ˑ10-10Pa,激发源采用Al ka 射线(hv =1486.6eV),工作电压12.5kV,灯丝电流16mA,进行5~10次循环的信号累加㊂通过微脱粘试验测试纤维与树脂的微观剪切性能㊂将带有已经固化好的尺寸均匀且正圆的树脂小球碳纤维固定在微脱粘仪器上,移动卡刀,使其将其中一个树脂小球从左右两侧卡住,移动回形架使得纤维匀速自下而上移动,直至卡刀恰好将树脂小球剥落,此时仪器会记录纤维与树脂小球分离瞬间的最大结合力,如何计算纤维与树脂的微观界面结合强度如公式(1)所示㊂IFSS =F max ΠDL(1)式中,IFSS 为纤维与树脂微观界面剪切强度;F 为树脂与纤维剥离时的最大剪切力;L 为纤维迈入树脂球的长度㊂碳纤维增强树脂基复合材料力学性能在Intron 公司的Instro5967万能力学试验机上进行㊂复合材料冲击后压缩强度按照ASTMD7137开展㊂3㊀结果与讨论3.1㊀碳纤维表面形貌两种不同界面的国产T800纤维去除上浆剂后的表面形貌SEM 如图2所示,由图A (a)和A (b)看出未上浆的A 类碳纤维表面整体光滑,但具有相对明显的沿着轴向排列均匀分布的较浅沟槽,由A (c)可看出,纤维截面致密,形状呈正圆形,具有明显的干喷湿纺纺丝工艺特征,干喷湿纺工艺生产的碳纤维兼具了拉伸强度和机械啮合的优势[10]㊂与A 类纤维相比,B 类纤维表面明显沟槽更浅,根据界面机械啮合理论,纤维表面沟槽的数量越小㊁深度越浅,纤维与树脂的界面结合面积越小,界面结合强度越弱㊂图2㊀两种碳纤维表面形貌图5纤维复合材料2024年㊀㊀㊀为了进一步对比两种碳纤维界面状态,采用AFM 对其观察三维立体形貌,如图3所示,由图3可以看出,A㊁B 类纤维表面存在明显的沿着纤维轴向排列的深浅不一沟槽,但A 类沟槽深度更深,数量更多,对两类碳纤维随机抽取三个试样进行粗糙度测试,数据如表2所示,A 类纤维平均粗糙度要高于B 类纤维约23%,根据界面机械啮合理论,纤维表面积越大,粗糙度越高,纤维与树脂结合越牢固㊂图3㊀两种纤维三维表面形貌图表2㊀两种纤维表面粗糙度序号A B 130524622972513303237平均值/nm302245CV1.382.90㊀㊀3.2㊀碳纤维表面元素及含氧官能团通过XPS 表征测试两种碳纤维表面化学特性,如图4所示,对XPS 图谱分峰处理,纤维表面主要存在C㊁O㊁Si㊁N 四种元素,纤维表面原子含量具体如表3所示,数据显示A 类纤维O /C 含量略高于B 类,约7.4%㊂而经过阳极氧化处理过的碳纤维表面O 含量越高,表面活性越高,纤维与树脂的界面结合越牢固㊂图4㊀两种碳纤维XPS 峰图6㊀1期两种国产T800级碳纤维界面状态及复合材料力学性能研究表3㊀两种碳纤维表面原子含量样品Si2p /%C1s /%N1s /%O1s /%102.02eV 284.49eV 399.48eV 532.23eV Si㊁N 总量/%O /C /%A (a) 3.1373.24 3.6819.95 6.8127.24A (b) 2.3774.31 3.4619.86 5.8326.73A (c) 2.2975.22 3.1719.32 5.4625.68B (a) 3.8174.25 4.117.857.9124.04B (b) 2.4774.96 3.818.76 6.2725.03B (c)2.6975.223.7718.32 6.4624.36㊀㊀利用C1s 电子XPS 窄扫描,并对测试后的C1s 图谱进行分峰处理,分峰图如图5所示,碳纤维含C 官能团具体含量如表4所示,其中C -O㊁C =O 为活性C,C -C 为非活性C,活性C 占比越高,纤维表面活性越高,整体来看,与B 类纤维相比,A 类纤维表面原子中活性C 含量更高,即其表面活性更高,根据界面化学键结合理论,这意味着A 类碳纤维与树脂的界面结合强度较高㊂图5㊀两种碳纤维C1s 分峰图表4㊀C1s 分峰结果样品C -C /%C -O /%C =O /%284.8eV 286.39eV 288.85eV 活性碳比例/%A (a)67.3729.94 2.6948.43A (b)64.3133.46 2.2355.50A (c)67.530.32 2.1848.15B (a)73.3719.467.1736.30B (b)68.6129.36 2.0345.75B (c)69.6128.36 2.0343.66㊀㊀3.3㊀单纤维/树脂微脱粘采用微脱粘法从微观角度测试两种不同界面的T800级碳纤维与树脂的界面结合作用,具体数据如表5所示,数据显示A 类纤维与高性能环氧树脂的界面剪切力高于B 类纤维约10%,即A 类纤维与该树脂界面结合作用更强㊂㊀㊀3.4㊀复合材料宏观力学性能制备A㊁B 类纤维增强复合材料层合板,并按照ASTM D7137(6.67J /mm)进行冲击后压缩强7纤维复合材料2024年㊀度测试,测试结果如表6所示,表中数据显示两类纤维增强树脂基复合材料均具有较高的冲击后压缩强度,但相比与B类纤维,A类纤维增强树脂基复合材料冲击后压缩强度要高于B类约8%,这可能归功于A类纤维与树脂的界面结合牢固所致㊂表5㊀两批次T800级碳纤维与某高温环氧树脂界面剪切强度样品界面剪切强度平均值/MPa CV/%A(a)120.15 5.03A(b)118.358.08A(c)119.357.61B(a)112.04 4.41B(b)110.37 4.48B(c)103.23 5.36表6㊀纤维增强复合材料冲击后压缩强度序号A类纤维复合材料/MPa B类纤维复合材料/MPa 1348313 2330299 3338318 4326311 5335311 6342321平均值337312CV/% 2.38 2.434㊀结语实验选取了两种不同界面的国产T800级碳纤维及复合材料力学性能,通过对其界面状态和复合材料力学研究,结果表明,相同级别的T800级国产碳纤维,A类纤维表面形貌粗糙度高于B类约23%㊁O/C含量高约7.4%㊁活性C含量高约20%,微观剪切强度高约10%㊂A类纤维增强的复合材料冲击后压缩强度比B类纤维高约8%㊂即A 类纤维与树脂形成更好的化学与物理结合,界面结合作用较好㊂参考文献[1]贺福.碳纤维及其应用.北京:化学工业出版社,2004.[2]梁春华.高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述[J].航空发动机,2006(03):48-52.[3]王运英,孟江燕,陈学斌,白杨.复合材料用碳纤维的表面技术.处理技术,36(3):53-57.[4]陈祥宝,张宝艳,邢丽英.先进树脂基复合材料技术发展及应用现状.中国材料进展,2009,28(6):2-11. [5]易楠,顾轶卓,李敏.碳纤维复合材料界面结构的形貌与尺寸表征[J].复合材料学报,2010,27(5):36-40. [6]Thomson A W,Starzl T E.New Immunosuppressive Drugs:Mecha-nistic Insights and Potential Therapeutic Advances[J].Immunolog-ical Reviews,1993,136(1):71-98.[7]张巧蜜.聚丙烯腈基碳纤维[M].东华大学出版社,2005-7.[8]何宏伟.碳纤维/环氧树脂复合材料改性处理[M].国防工业出版社,2014.[9]谢云峰,王亚涛,李顺常.碳纤维工艺技术研究及发展现状[J].可化工新型材料,2013,41(5)-27. [10]张焕侠.碳纤维表面和界面性能研究及评价[D].东华大学, 2014.8。
国产T800S_级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究
4何 梅 等 国产T800S 级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究国产T800S 级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究何 梅，吴姜炎，廖英强，刘 宁，程 勇，常雪梅西安航天复合材料研究所Ὃ陕西省航天复合材料重点实验室Ὃ西安市先进聚合物基复合材料重点实验室Ὃ陕西西安710025Ὀ摘要：对两种国产T800S 级碳纤维与进口T800S 碳纤维表面特性及其复合材料界面性能的关联性进行了研究。
通过扫描电镜（SEM ）与原子力显微镜（AFM ）对三种碳纤维的表面形貌与粗糙度进行了表征；采用X 射线光电子能谱（XPS ）对三种碳纤维表面化学官能团比例进行了分峰计算；通过碳纤维表面静态接触角对纤维表面浸润性进行了分析。
制备并表征了碳纤维NOL 环与单向复合材料的力学性能与微观破坏形貌，通过对比分析确定了影响复合材料界面性能的关键性因素，对复合材料界面性能的进一步提升具有指导意义。
关键词：碳纤维；表面特性；树脂；界面；关联性中图分类号：TB 332Study on the Infl uence of Surface Characteristics of Domestic T800S Carbon Fiber on theInterfacial Properties of CompositesHE Mei, WU Jiang-yan, LIAO Ying-qiang, LIU Ning, CHENG Yong, CHANG Xue-mei( Xi ’an Aerospace Composites Research Institute, Shaanxi Key Laboratory of Aerospace Composites, Xi ’an Key Laboratoryof Advanced Polymer Composites, Xi ’an 710025, Shaanxi, China )Abstract: In this paper, the relationship between surface characteristics and interfacial properties of two kinds of domestic T800S carbon fi bers and imported T800S carbon fi ber was studied. The morphology and roughness of three kinds of carbon fi bers were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The ratios of chemical functional groups for three carbon fi bers were calculated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The wettability of carbon fi bers was analyzed by static contact angle. The mechanical properties and microscopic failure morphology of NOL rings and unidirectional composites were prepared and characterized. The key factors aff ecting the interfacial properties of composites were determined through comparative analysis, which has guiding signifi cance for further improvement of the interfacial properties of composites.Key words: carbon fi bers; surface characteristic; epoxy resin; interface; relationship作者简介：何梅，博士研究生，主要从事碳纤维增强树脂基复合材料研究。
碳纤维表面处理对复合材料强度的影响
碳纤维表面处理对复合材料强度的影响【摘要】碳纤维增强复合材料由碳纤维与树脂基体共同组成，碳纤维与树脂基体的表面结合直接影响到复合材料的性能。
本文通过采用不同的碳纤维表面处理方法，对处理后的碳纤维表现进行分析，对复合材料的界面性能进行研究，并用实验测试复合材料的界面结合强度，结果表明，采用低电压，短时间的电化学处理较浓硝酸氧化处理，对复合材料的增强效果的影响更明显。
【关键词】碳纤维表面处理界面性能抗弯强度1 前言与传统金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、体育等领域。
碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，它具有乱层石墨结构，其密度仅为钢密度的1/4，具有优异的力学性能，热稳定性，是一种高性能的先进非金属增强材料。
尽管碳纤维性能优异，但，由于其属脆性材料，单独使用，许多性能无法得到充分的发挥。
只有与其它基体材料结合成复合材料，材料性能形成互补，才能有效发挥其优异的力学性能，因此，碳纤维在复合材料中被用作增强相。
用作复合材料的树脂基可分为两大类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。
热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团的高分子量聚合物组成；成型时，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成具有网状交联体结构。
常见的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。
热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在温度超过熔点时熔融，具有流变性，属物理变化。
常见的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。
复合材料的界面由增强材料表面与基体材料表面相互作用形成的，它包含两相之间的过渡区域，界面相内的化学组成、分子排列、热性能、力学性能呈连续梯度性变化。
界面相的结构由增强材料与基体材料表面的组成及二者之间的反应性能决定的，因此纤维表现处理的结果将影响复合材料的性能。
通过纤维表面处理可以增强纤维表面的化学活性与物理活性，从而增加其与基体间的结合或粘结。
不同碳纤维表面状态对Cf／SiC复合材料性能的影响
征 其 性 键 结 果 表 明 ， 纤 堆 表 面 主要 有 ｃ、 两种 元 素存 在 ． 中碳 主 要 有 Ｃ ｃ 和 ｃ ０ 两种 存 在 方 式 ． 且 两种 纤 维 碳 Ｏ 其 — 并 的 ０ ｓ ａ ｓ有明 显 的 不 同 当氧音 量 高 时 ． 维在 经 历 高 温 处 理 启强 度 下 降幅 度 较 土 ． 荆 备 的 Ｃ ／ ｉ 复合 材 料 性 能 ｌ／ 纤 所 ｆＳＣ
维普资讯
不 同碳 纤 维 表 面状 态 对 Ｃ ／ ｉ 复合 材 料 性 能 的 影 响 建 方 等 ＩＳＣ 王
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６ ・ ７
不 同碳 纤维表面状态对 Ｃ ／ｉ ｆＳＣ复合材料性能的影响
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材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化
复合材料的增强机制及性能
1. 纤维增强复合材料的增强机制
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要
碳
承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 纤
维
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
1240
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145 76
210-280
聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
芳纶刹车片
3. 纤维--金属(或合金)复合材料
1电子显微镜观测法基材表面形貌分析尤其是经表面处理的基材未处理碳纤维的表面形态低温等离子处理碳纤维表面形态增强体材料表面形貌分析氧等离子处理后经80与苯乙烯反应4小时接枝聚苯乙烯分子链的碳纤维照片复合材料的断面形貌分析碳铝复合材料不同界面结合时的强度与断口特征结合状态拉伸强度mpa断口形貌不良结合206纤维大量拔出长度很大呈刷子状结合适中612纤维有拔出现象并有一定长度铝基体有缩颈现象并可发现劈裂状结合稍强470出现不规则断面并可看到很短的拔出纤维结合太强224典型脆断形式平断口2红外光谱与拉曼光谱波长为25m区间的波谱称为红外光谱它是分子键的振动光谱
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
三、复合材料的命名
（1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即
复合材料的界面问题研究
论文题目：复合材料的界面问题研究学院：材料科学与工程学院专业：材料学任课老师：霍冀川姓名：夏松钦学号：2011000148复合材料的界面问题研究摘要：界面问题，在复合材料制备中起很大的作用，界面结合的好坏，直接影响复合材料的整体性能，现针对国内外增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维的表面处理方法，强调界面问题的重要性关键词：界面问题；玻璃纤维；碳纤维；芳纶纤维1 前言界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有重要的影响。
随着对复合材料界面结构及优化设计研究的不断深入。
研究材料的界面力学行为与破坏机理是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一。
复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递。
对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，而对作为复合材料3大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，其理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。
界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为越来越受到重视。
热塑性复合材料不仅有优越的力学性能、耐腐蚀、无毒性和低价格指数，还由于具有热固性复合材料所不具备的可重复加工和使用的特点，避免产生三废，有利于环保，因而倍受人们的重视，发展很迅速。
对于增强热塑性复合材料来说，由于基体本身缺乏可反应的活性官能团，很难与纤维产生良好化学键结合，因而界面结合的问题就显得更为重要。
2玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维在复合材料中主要起承载作用。
为了充分发挥玻璃纤维的承载作用，减少玻璃纤维和树脂基体差异对复合材料界面的影响，提高与树脂基体的粘合能力，因此有必要对玻璃纤维的表面进行处理[1]，使之能够很好地与树脂粘合，形成性能优异的界面层，从而提高复合材料的综合性能。
211114979_不同纺丝工艺国产高强中模碳纤维及其复合材料性能对比
表面技术第52卷第4期不同纺丝工艺国产高强中模碳纤维及其复合材料性能对比王先锋1，曹正华1,2，彭公秋1，张宝艳1（1.中国航空制造技术研究院，北京 101300；2.中航复合材料有限责任公司，北京101300）摘要：目的进一步探究国产不同纺丝工艺高强中模碳纤维及其复合材料的相关性能，并验证干喷湿纺工艺碳纤维的表面状态及其复合材料性能。
方法针对干喷湿纺的GW800G和湿喷湿纺的CCF800H两种碳纤维及其复合材料，采用场发射环境扫描电子显微镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）和动态接触角测量仪表征其表面形貌、表面化学特性以及表面能，对两种碳纤维的微观表面性能以及微观结构进行对比分析，并与相同的高温环氧树脂复合，通过热压罐成型技术制成层合板，进一步表征两种复合材料的力学性能，并观察了复合材料90°拉伸和90°弯曲破坏试样断面形貌。
结果 GW800G碳纤维表面形貌较光滑，CCF800H碳纤维表面粗糙度较大且凹槽明显。
GW800G碳纤维和CCF800H碳纤维表面化学活性较高和表面能均较高，表面活性碳原子比例分别达到了34.11%和33.24%，表面能分别达到了36.92 mJ/m2和40.08 mJ/m2，二者水平差距较小。
同时两种碳纤维的微晶结构相似，GW800G碳纤维具有更高的石墨化程度。
这些特点均与其复合材料所表现的性能一致，GW800G/BA9918E复合材料具有更高的0°拉伸强度，而其他界面相关的强度和耐湿热能力均达到CCF800H/BA9918E复合材料的水平。
两种复合材料的90°拉伸和90°弯曲破坏试样断面形貌也反映出两种碳纤维均与树脂基体有良好的结合能力。
结论国产表面改良型干喷湿纺碳纤维及其复合材料在保证高强度的同时，碳纤维表面性能和复合材料的界面性能达到了湿喷湿纺碳纤维的水平。
国产t1000级碳纤维性能
第４３卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀固体火箭技术ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．１２０２０国产Ｔ１０００级碳纤维性能①许桂阳，博学金，王㊀中，王春光，李宝星，卢莹莹，王江宁，尚㊀帆（西安近代化学研究所，西安㊀７１００６５）㊀㊀摘要：通过国产Ｔ１０００级碳纤维表面状态㊁单向板㊁ＮＯＬ环及ϕ１８５ｍｍ壳体的实验研究，分析了两种国产Ｔ１０００级碳纤维的表面物理和化学状态，复合材料的微观界面性能及力学性能㊂结果表明，两种国产Ｔ１０００级碳纤维表面光滑，断口基本呈现为规整的圆形，国产Ｔ１０００级碳纤维能获得较高的拉伸强度㊂两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板０ʎ拉伸强度均略低于进口Ｔ１０００碳纤维，这是由于ＨＦ５０Ｓ碳纤维单向板呈现部分纤维束型的破坏和部分断裂型的破坏；两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板９０ʎ拉伸强度均略低于进口Ｔ１０００碳纤维，这是由于国产Ｔ１０００级碳纤维与树脂基体之间的机械锚钉作用较弱，界面粘接强度较低；两种国产Ｔ１０００级碳纤维缠绕壳体爆破压强是进口Ｔ１０００壳体爆破压强的０．９３和０．８８，这是由于ＳＹＴ５５碳纤维和ＨＦ５０Ｓ碳纤维缠绕时容易起毛和界面粘接性能较差㊂关键词：Ｔ１０００级碳纤维；复合材料；界面；力学性能中图分类号：Ｖ２５８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００６⁃２７９３（２０２０）０１⁃００７８⁃０６ＤＯＩ：１０．７６７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃２７９３．２０２０．０１．０１２ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒＸＵＧｕｉｙａｎｇ，ＦＵＸｕｅｊｉｎ，ＷＡＮＧＺｈｏｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｕｎｇｕａｎｇ，ＬＩＢａｏｘｉｎｇ，ＬＵＹｉｎｇｙｉｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎｇｎｉｎｇ，ＳＨＡＮＧＦａｎ（Ｘｉ ａｎＭｏｄｅｒｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ ａｎ㊀７１００６５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｕｒｆａｃｅｓｔａｔｅ，ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅ，ＮＯＬｒｉｎｇａｎｄϕ１８５ｍｍｓｈｅｌｌ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｓｔａｔｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ，ｔｈｅｍｉｃｒｏ⁃ｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒ⁃ｂｏｎｆｉｂｅｒｓｈａｖｅａｓｍｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓ⁃ｓｅｃｔｉｏｎｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｒｏｕｎｄｅｄ．ＴｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｈａｓｈｉｇｈｅｒｔｅｎ⁃ｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ．ＴｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓｉｎ０ｄｅｇｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｓｌｉｇｈｔ⁃ｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔｅｄｏｎｅ．ＴｈｉｓｉｓｂｅｃａｕｓｅｔｈｅＨＦ５０Ｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｅｘｈｉｂｉｔｓｐａｒｔｉａｌｆｉｂｅｒｂｕｎｄｌｅｔｙｐｅｄａｍａｇｅａｎｄｐａｒｔｉａｌｆｒａｃｔｕｒｅｔｙｐｅｄａｍａｇｅ．ＴｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓｉｎ９０ｄｅｇｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｓｌｉｇｈｔｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔｅｄｏｎｅ．Ｔｈｉｓｉｓｄｕｅｔｏｗｅａｋｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｃｈｏｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｆｉｂｅｒａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｎｍａｔｒｉｘ，ａｎｄｈｅｎｃｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ．ＴｈｅｂｕｒｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｔｗｏｄｏｍｅｓｔｉｃＴ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｈｅｌｌｓａｒｅ０．９３ａｎｄ０．８８ｏｆｔｈａｔｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔｅｄＴ１０００ｓｈｅｌｌａｔｔｈｅｂｕｒｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＴｈｉｓｉｓｂｅｃａｕｓｅＳＹＴ５５ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄＨＦ５０Ｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｒｅｅａｓｙｔｏｇｅｔｆｌｕｆｆａｎｄｈａｖｅｐｏｏｒｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌａｄｈｅｓｉｏｎｗｈｅｎｉｔｉｓｅｎｔａｎｇｌｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｆｉｂｅｒｉｓｍｏｒｅｂｒｉｔｔｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔ１０００ｇｒａｄｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ０㊀引言以碳纤维为增强体制备的高性能复合材料由于具有高比强度㊁高比刚度㊁高比模量，耐疲劳㊁耐辐射㊁耐化学腐蚀以及可设计性强等一系列优异性能而被广泛应用于航空㊁航天等领域［１－３］㊂随着航空㊁航天等领域对高性能固体动力性能的要求不断提高，对高性能复合材料的要求也是逐步提高㊂目前，高性能碳纤维产品已逐渐由Ｔ７００发展到Ｔ８００㊁ＩＭ７甚至Ｔ１０００和Ｔ１１００等㊂国内Ｔ７００㊁Ｔ８００等通用级碳纤维已有较多的研究与应用，对于Ｔ１０００级碳纤维因刚实现产业化生产，相关研究和应用方面的报导很少［２－７］㊂中复神鹰ＳＹＴ５５⁃１２Ｋ碳纤维是国内８７ ①收稿日期：２０１９⁃０７⁃２０；修回日期：２０１９⁃０９⁃１０㊂作者简介：许桂阳（１９９０ ），男，博士，研究方向为爆轰推进㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｕｇｕｉｙａｎｇ９０＠１６３．ｃｏｍ最早实现百吨级产出的Ｔ１０００级高性能碳纤维产品之一，是于２０１５年启动干喷湿纺Ｔ１０００级碳纤维的研发，于２０１６年实现了中试技术，进行了工程化技术攻关，实现了从试验到百吨级规模化生产的重大突破㊂江苏恒神ＨＦ５０Ｓ⁃１２Ｋ碳纤维也是国内实现百吨级产出的Ｔ１０００级高性能碳纤维产品之一，是于２０１６年３月突破干喷湿纺原丝细旦化㊁高取向化的关键技术，实现了高纺速的Ｔ１０００级碳纤维的生产㊂目前对于国产Ｔ１０００级碳纤维产品，尚无相关结构㊁性能和应用方面的系统分析研究报告㊂本文通过扫描电镜研究了国产Ｔ１０００级高性能碳纤维的表面物理状态㊁化学状态㊂之后通过拉伸试验与扫描电镜研究了原丝与复丝力学性能，并对两种国产Ｔ１０００级碳纤维的工艺性进行了研究，最终实现对Ｔ１０００级碳纤维复合材料压力容器上的应用实验研究㊂１㊀实验１．１㊀材料Ｔ⁃１０００级碳纤维：中复神鹰ＳＹＴ５５⁃１２Ｋ和江苏恒神ＨＦ５０Ｓ⁃１２Ｋ㊂Ｔ１０００⁃１２Ｋ碳纤维：日本东丽㊂１．２㊀试样制备１．２．１㊀复合材料试验件的制备纤维经胶液浸渍后缠绕在芯模上，制作复丝㊁单向板㊁ＮＯＬ环及用作水压爆破的发动机壳体㊂１．２．２㊀发动机壳体制作将纤维在一定张力作用下浸渍树脂后，在数控缠绕机上按一定线型缠绕在经表面处理㊁涂刷胶粘剂后的包覆芯模上，固化后进行水压试验㊂１．３㊀测试仪器及标准扫描电镜（ＳＥＭ）：ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒ公司生产的Ｑｕａｎ⁃ｔａＦＥＧ２５０型扫描电镜㊂力学性能：ＣＭ７１０４型微机电子万能拉伸试验机㊂测试标准：复丝拉伸性能测试标准ＧＢ／Ｔ３３６２；单向板拉伸试验测试标准ＧＢ／Ｔ３３５４；单向板横向拉伸试验测试标准ＧＢ／Ｔ３３５６；单向板剪切试验测试标准ＧＢ／Ｔ３３５７；ＮＯＬ环力学性能测试标准ＧＢ１４５８；水压试验标准：ＱＪ１３９２Ａ㊂２㊀结果与分析２．１㊀原丝与复丝力学性能２．１．１㊀原丝性能中复神鹰ＳＹＴ５５⁃１２Ｋ㊁江苏恒神ＨＦ５０Ｓ⁃１２Ｋ国产Ｔ１０００级原丝和进口Ｔ１０００原丝性能数据见表１（生产厂家提供性能）㊂通过表１可知国产Ｔ１０００级原丝主要性能指标碳纤维拉伸强度㊁伸长率㊁拉伸模量和直径均与进口东丽Ｔ１０００相当㊂表１㊀碳纤维主要性能指标Ｔａｂｌｅ１㊀Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｍａｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘ产品型号拉伸强度／ＭＰａ伸长率／％拉伸模量／ＧＰａ直径／μｍＳＹＴ５５ＨＦ５０ＳＴ１０００６３００６３７０６３７０２．２２．０２．２２９５２９０３０１５．５５．５５．５２．１．２㊀复丝性能对中复神鹰ＳＹＴ５５⁃１２Ｋ㊁江苏恒神ＨＦ５０Ｓ⁃１２Ｋ国产Ｔ１０００级和进口Ｔ１０００碳纤维，分别随机抽取７部分碳纤维制成复丝拉伸试样，对每种试样按照ＧＢ／Ｔ３３６２‘碳纤维复丝拉伸性能试验方法“开展拉伸试验，见表２㊂测试试验件的拉伸强度㊁拉伸模量和断裂伸长率，并计算平均值㊁标准差及离散系数㊂表２㊀复丝强度性能Ｔａｂｌｅ２㊀Ｍｕｌｔｉｆｉｌａｍｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ产品型号类型拉伸强度／ＭＰａ拉伸模量／ＧＰａ断裂伸长率／％ＳＹＴ５５平均值标准差离散系数／％５８０２．０９１０４．２０１．７９３００．８４５．１５１．７１１．９６０．０６３．０６ＨＦ５０Ｓ平均值标准差离散系数／％６０３４．６２２２６．１３３．７５２９６．２１５．０７１．７１２．０６０．１１５．３４Ｔ１０００平均值标准差离散系数／％６２１２．７１１２５．７０２．０２２８７．４２４．９５１．７２２．２２０．０７３．１５通过表２可知国产Ｔ１０００级碳纤维复丝强度㊁断裂伸长率均稍低于进口Ｔ１０００，拉伸模量与进口Ｔ１０００相当㊂ＳＹＴ５５碳纤维拉伸强度略微小于ＨＦ５０Ｓ碳纤维拉伸强度，而标准差和离散系数ＳＹＴ５５均小于ＨＦ５０Ｓ，与进口Ｔ１０００相当㊂表明ＳＹＴ５５碳纤维的拉伸强度一致性优于ＨＦ５０Ｓ，性能更稳定㊂２．２㊀国产Ｔ１０００级碳纤维表面性能国产Ｔ１０００级碳纤维的表面性能研究包括物理状态表征和化学状态表征㊂其中物理状态表征是采用ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒ公司生产的ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型扫描电镜对国产Ｔ１０００级碳纤维和进口Ｔ１０００碳纤维表面形貌进行测试并分析㊂通过图１可知，国产Ｔ１０００级碳纤维表面均无可见的凹凸㊁毛刺或沟槽等固有特征缺陷，三种纤维均呈９７２０２０年２月许桂阳，等：国产Ｔ１０００级碳纤维性能第１期现出表面光滑的状态，这是属于干喷湿纺碳纤维的典型形貌［８］㊂相对而言，ＨＦ５０Ｓ碳纤维原丝表面有少许褶皱，表明其上浆剂均匀性劣于ＳＹＴ５５碳纤维㊂国产Ｔ１０００级碳纤维和进口Ｔ１０００碳纤维的断口基本呈现为规整的圆形，且圆度好，少量为椭圆型㊂纤维丝直径均为５．５μｍ㊂由此可见，在预氧化和碳化过程中受力均匀，无应力集中现象［９］㊂因此，从断口形状可知，国产Ｔ１０００级碳纤维和进口东丽Ｔ１０００碳纤维性能相当，均能获得较高的拉伸强度㊂（ａ）ＳＹＴ５５㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）ＨＦ５０Ｓ（ｃ）Ｔ１０００㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｄ）ＳＹＴ５５（ｅ）ＨＦ５０Ｓ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｆ）Ｔ１０００图１㊀碳纤维的表面性能Ｆｉｇ．１㊀Ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ碳纤维化学状态表征是采用ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒ公司生产的ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型扫描电镜对国产Ｔ１０００级碳纤维／树脂单向板试样进行测试并分析㊂从图２中可看出在两家厂家的单向板原始件中树脂与碳纤维匹配性均较为一般，树脂与碳纤维之间出现少量的间隙，纤维与基体粘结性较为一般㊂（ａ）ＳＹＴ５５㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）ＨＦ５０Ｓ图２㊀碳纤维／环氧树脂单向板Ｆｉｇ．２㊀Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓ２．３㊀国产Ｔ１０００级碳纤维单向板及ＮＯＬ环力学性能对江苏恒神和中复神鹰两厂家国产Ｔ１０００级碳纤维和进口Ｔ１０００碳纤维，分别随机抽取５部分碳纤维制成单向板试样，对每种单向板按照对应的标准进行０ʎ拉伸试验㊁９０ʎ拉伸试验和层间剪切试验，单向板性能结果见表３㊂表３㊀单向板实测数据Ｔａｂｌｅ３㊀Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａ项目名称实测数据ＳＹＴ５５ＨＦ５０ＳＴ１００００ʎ拉伸强度／ＭＰａ拉伸模量／ＧＰａ３０１０１３３２８８５１３２３４９０１５８９０ʎ拉伸强度／ＭＰａ拉伸模量／ＧＰａ４５７．８４２８．４６０９．０层间剪切／ＭＰａ７２７７９５通过表３可知，两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板拉伸强度㊁拉伸模量和层间剪切强度均低于进口Ｔ１０００碳纤维㊂其中，两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板０ʎ拉伸强度平均值分别为３０１０ＭＰａ和２８８５ＭＰａ，均略低于进口Ｔ１０００碳纤维（３４９０ＭＰａ）㊂通过肉眼直接观察试样，进口Ｔ１０００单向板均为纵向劈裂，形成散丝断口㊂这是单向板在０ʎ拉伸载荷作用下的典型的失效模式，能获得较高的拉伸强度［１０］㊂ＳＹＴ５５碳纤维单向板呈现部分纤维束型的破坏和部分积累损伤型的破坏（见图３），呈现长范围内的界面脱粘和纵向劈裂，形成散丝断口㊂表明ＳＹＴ５５碳纤维／环氧树脂界面粘接强度低于进口Ｔ１０００／环氧树脂界面的粘接强度，导致很长范围内的界面脱胶㊂ＨＦ５０Ｓ碳纤维单向板呈现部分纤维束型的破坏和部分断裂型的破坏（见图３），呈现长范围内的界面脱粘和破坏面齐平㊂表明ＨＦ５０Ｓ碳纤维呈现脆性，纤维断口裂纹的直接延伸，造成相邻纤维受更大的应力集中而断裂㊂这种破坏形式纤维强度发挥较低㊂因此ＨＦ５０Ｓ碳纤维复丝强度虽然高于ＳＹＴ５５碳纤维，而单向板０ʎ拉伸强度反而低于ＳＹＴ５５碳纤维㊂为进一步分析原因，对单向板０ʎ拉伸破坏试样进行电镜扫描㊂图４为单向板０ʎ拉伸破坏电镜扫描图片㊂从图４中可看出在０ʎ拉伸过程中，两种国产Ｔ１０００级单向板复合材料受载，ＳＹＴ５５／环氧树脂界面出现部分开裂，进一步验证了宏观上试样的界面脱粘和纵向劈裂㊂ＨＦ５０Ｓ／环氧树脂界面完好，表明ＨＦ５０Ｓ０８ ２０２０年２月固体火箭技术第４３卷脆性大于ＳＹＴ５５㊂（ａ）ＳＹＴ５５㊀㊀（ｂ）ＨＦ５０Ｓ㊀㊀（ｃ）Ｔ１０００图３㊀单向板０ʎ拉伸试验后图片Ｆｉｇ．３㊀Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈａｆｔｅｒｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓｉｎ０ʎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔ（ａ）ＳＹＴ５５（ｂ）ＨＦ５０Ｓ图４㊀单向板０ʎ拉伸破坏扫描电镜照片Ｆｉｇ．４㊀Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓｉｎ０ʎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄａｍａｇｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板９０ʎ拉伸强度平均值分别为４２ＭＰａ和３８ＭＰａ，均略低于进口Ｔ１０００碳纤维（６０ＭＰａ）㊂通过肉眼直接观察试样，两种国产Ｔ１０００级单向板的纤维和树脂基体断面比较齐整，但无明显的纤维拔出现象㊂在９０ʎ拉伸过程中，载荷方向与纤维方向呈９０ʎ，由于碳纤维／环氧树脂复合材料的界面强度较低，因此界面处先发生开裂，随着裂纹的扩展，最终导致单向板发生破坏㊂图５为对应的扫描电镜图片㊂从图５中可看出，两种国产Ｔ１０００级碳纤维／环氧树脂界面均存在明显的界面分离，纤维表面较为光滑，只粘附有少量的基体树脂㊂表明Ｔ１０００级纤维与树脂基体之间的机械锚钉作用较弱，从而界面粘接能力较低㊂（ａ）ＳＹＴ５５（ｂ）ＨＦ５０Ｓ图５㊀单向板９０ʎ拉伸破坏扫描电镜照片Ｆｉｇ．５㊀Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｌａｔｅｓｉｎ９０ʎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄａｍａｇｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ对江苏恒神和中复神鹰两厂家国产Ｔ１０００级碳纤维和进口Ｔ１０００碳纤维，分别随机抽取５部分碳纤维制成ＮＯＬ环试样，对ＮＯＬ环按照ＧＢ１４５８标准进行试验，试验结果见表４㊂表４㊀ＮＯＬ环力学性能实测数据Ｔａｂｌｅ４㊀ＮＯＬｒｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａ项目名称实测数据ＳＹＴ５５ＨＦ５０ＳＴ１０００拉伸强度／ＭＰａ剪切强度／ＭＰａ２６６５５７．９４２５３０３８．３７２９２５５８．７４通过表４可知，２种国产Ｔ１０００级碳纤维拉ＮＯＬ环拉伸强度平均值分别为２６６５ＭＰａ和２５３０ＭＰａ，均略低于进口Ｔ１０００碳纤维（２９２５ＭＰａ）㊂通过肉眼直接观察试样，两种国产Ｔ１０００级ＮＯＬ环断面比较齐整㊂２．４㊀国产高性能碳纤维壳体承压能力研究为研究国产高性能碳纤维壳体的承压能力㊂本文采取３种方案对发动机壳体进行了水压试验㊂本文依据固体火箭发动机燃烧室壳体内压试验方法１８２０２０年２月许桂阳，等：国产Ｔ１０００级碳纤维性能第１期‘ＱＪ１３９２Ａ“对碳纤维壳体进行了水压试验㊂三种方案如下所示：方案一：采用环氧树脂与国产Ｔ１０００级ＳＹＴ５５碳纤维缠绕ϕ１８５ｍｍ标准壳体，采用８层纵向＋９个环向㊂此方案一所形成的壳体以下简称ＳＹＴ５５壳体㊂方案二：采用与方案一相同的环氧树脂和缠绕工艺参数，将ＳＹＴ５５碳纤维改成ＨＦ５０Ｓ碳纤维㊂此方案二所形成的壳体以下简称ＨＦ５０Ｓ壳体㊂方案三：采用与方案一相同的环氧树脂和缠绕工艺参数，将ＳＹＴ５５碳纤维改成Ｔ１０００碳纤维㊂此方案三所形成的壳体以下简称Ｔ１０００壳体㊂ＳＹＴ５５壳体㊁ＨＦ５０Ｓ壳体和Ｔ１０００壳体的爆破位置均在筒段㊂爆破压强最高的为Ｔ１０００壳体４２．０ＭＰａ，ＳＹＴ５５壳体㊁ＨＦ５０Ｓ壳体爆破压强是Ｔ１０００壳体爆破压强的０．９３和０．８８，即３９．２ＭＰａ和３７．０ＭＰａ㊂计算得到ＰＶ／Ｗ分别为４９．５㊁４６．２和４３．６㊂三种壳体水压试验前后状态见图６㊂在壳体缠绕过程中，ＳＹＴ５５碳纤维和ＨＦ５０Ｓ碳纤维工艺性较差，容易起毛（见图７）㊂特别在封头处有明显的起毛现象，而Ｔ１０００碳纤维表面光滑，无起毛㊂表明ＳＹＴ５５碳纤维和ＨＦ５０Ｓ碳纤维在缠绕时，纤维有损伤，这是ＳＹＴ５５壳体和ＨＦ５０Ｓ壳体爆破压力较Ｔ１０００壳体低的重要原因之一㊂（ａ）ＳＹＴ５５壳体水压前㊀㊀（ｂ）ＳＹＴ５５壳体爆破残骸（ｃ）ＨＦ５０Ｓ壳体水压前㊀㊀（ｄ）ＨＦ５０Ｓ壳体爆破残骸图６㊀壳体水压试验前后状态对比图Ｆｉｇ．６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｔｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｓｈｅｌｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔ为进一步分析ＳＹＴ５５壳体㊁ＨＦ５０Ｓ壳体爆破压力较Ｔ１０００壳体低的原因，对水压爆破后剪切破坏面进行电镜扫描㊂扫描电镜照片见图８㊂图８中看出，ＳＹＴ５５壳体破坏面主要是由裸露碳纤维㊁脱粘碳纤维㊁和树脂块组成，破坏主要发生在界面，表明碳纤维与环氧树脂的界面粘结性能不好，易形成大面积分层从而导致ＳＹＴ５５壳体相对Ｔ１０００壳体以较低的压力爆破㊂ＨＦ５０Ｓ壳体破坏面上呈脆性破坏模式，碳纤维拔出较少，碳纤维被环氧树脂紧密包裹，没有出现环氧树脂与碳纤维界面脱开而吸收能量的过程，因此ＨＦ５０Ｓ壳体相对ＳＹＴ５５壳体和Ｔ１０００壳体以较低的压力爆破㊂（ａ）ＳＹＴ５５㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）ＨＦ５０Ｓ（ｃ）Ｔ１０００图７㊀缠绕工艺性Ｆｉｇ．７㊀Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｉｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇ（ａ）ＳＹＴ５５㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）ＨＦ５０Ｓ图８㊀剪切破坏面电镜照片Ｆｉｇ．８㊀Ｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｐｌａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ３㊀结论本文通过研究国产Ｔ１０００级碳纤维的表面物理状态㊁化学状态和力学性能，得出了以下结论：２８ ２０２０年２月固体火箭技术第４３卷（１）两种国产Ｔ１０００级碳纤维表面光滑，均无明显可见的凹凸㊁毛刺或沟槽等；断口基本呈现为规整的圆形，且圆度好，因此国产Ｔ１０００级碳纤维和进口Ｔ１０００碳纤维性能相当，均能获得较高的拉伸强度㊂（２）两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板０ʎ拉伸强度，均略低于进口Ｔ１０００碳纤维㊂ＳＹＴ５５碳纤维单向板呈现部分纤维束型的破坏和部分积累损伤型的破坏㊂ＨＦ５０Ｓ碳纤维单向板呈现部分纤维束型的破坏和部分断裂型的破坏㊂（３）两种国产Ｔ１０００级碳纤维单向板９０ʎ拉伸强度，均略低于进口Ｔ１０００碳纤维㊂这是由于国产Ｔ１０００级碳纤维与树脂基体之间的机械锚钉作用较弱，界面粘接能力较低㊂（４）两种国产Ｔ１０００级碳纤维缠绕壳体爆破压强是进口Ｔ１０００壳体爆破压强的０．９３和０．８８㊂这主要有两个原因：一是ＳＹＴ５５碳纤维和ＨＦ５０Ｓ碳纤维工艺性较差，缠绕时容易起毛，降低纤维强度；二是两种国产Ｔ１０００级碳纤维与环氧树脂的界面粘接性能不好，导致较低的压力爆破㊂参考文献：［１］㊀李烨，肈研，孙沛，等．碳纤维表面状态对其复合材料界面性能的影响［Ｊ］．材料科学与工艺，２０１４，２２（２）：８６⁃９１．ＬＩＹｅ，ＺＨＯＵＹａｎ，ＳＵＮＰｅｉ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｕｒｆａｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏ⁃ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｉｔｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏ⁃ｇｙ，２０１４，２２（２）：８６⁃９１．［２］㊀王迎芬，彭公秋，李国丽，等．Ｔ８００Ｈ碳纤维表面特性及Ｔ８００Ｈ／ＢＡ９９１８复合材料湿热性能研究［Ｊ］．材料科学与工艺，２０１５，２３（４）：１１５⁃１２０．ＷＡＮＧＹｉｎｇｆｅｎ，ＰＥＮＧＧｏｎｇｑｉｕ，ＬＩＧｕｏｌｉ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｓｕｒ⁃ｆａｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＴ８００ＨｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄｈｙｇｒｏｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＴ８００Ｈ／ＢＡ９９１８ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉ⁃ｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５，２３（４）：１１５⁃１２０．［３］㊀张青，常新龙，张有宏，等．炭纤维复合材料微波固化技术研究进展［Ｊ］．固体火箭技术，２０１８，４１（５）：９５⁃１０３．ＺＨＡＮＧＱｉｎｇ，ＣＨＡＮＧＸｉｎｌｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｏｕｈｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅ⁃ｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｃａｒｂｏｎｆｉ⁃ｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，４１（５）：９５⁃１０３．［４］㊀林松，张琳，高志琪，等．国产Ｔ７００炭纤维复合材料发动机壳体强度设计及成型工艺［Ｊ］．固体火箭技术，２０１８，４１（５）：８２⁃８８．ＬＩＮＳｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＬｉｎ，ＧＡＯＺｈｉｑｉ，ｅｔａｌ．ＳｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒＴ７００ｃｏｍｐｏｓ⁃ｉｔｅｍｏｔｏｒｃａｓｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，４１（５）：８２⁃８８．［５］㊀顾红星，王浩静，薛林兵，等．ＨＫＴ８００炭纤维缠绕成型复合材料性能［Ｊ］．固体火箭技术，２０１６，３９（３）：３９２⁃３９６．ＧＵＨｏｎｇｘｉｎｇ，ＷＡＮＧＨａｏｊｉｎｇ，ＸＵＥＬｉｎｂｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨＫＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｗｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，３９（３）：３９２⁃３９６．［６］㊀关云，宋学宇，贾有军，等．炭纤维复合材料壳体封头新型环向补强的数值模拟及试验［Ｊ］．固体火箭技术，２０１８，４１（３）：３５６⁃３８２．ＧＵＡＮＹｕｎ，ＳＯＮＧＸｕｅｙｕ，ＪＩＡＹｏｕｊｕｎ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎａｎｏｖｅｌｈｏｏｐｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｌａｍｅｎｔ⁃ｗｏｕｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃａｓｅｄｏｍｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，４１（３）：３５６⁃３８２．［７］㊀井敏，谭婷婷，王成国，等．东丽Ｔ８００Ｈ与Ｔ８００Ｓ碳纤维的微观结构比较［Ｊ］．材料科学与工艺，２０１５，２３（２）：４５⁃５２．ＪＩＮＧＭｉｎ，ＴＡＮＴｉｎｇｔｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｅｎｇｇｕｏ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＴｏｒａｙＴ８００ＨａｎｄＴ８００Ｓｃａｒｂｏｎｆｉ⁃ｂｅｒ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５，２３（２）：４５⁃５２．［８］㊀贺福．高性能碳纤维原丝与干喷湿纺［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００４，２９（４）：６⁃１２．ＨＥＦｕ．Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓａｎｄｄｒｙ⁃ｊｅｔｗｅｔｓｐｉｎｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｈｉ⁃ＴｅｃｈＦｉｂｅｒ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００４，２９（４）：６⁃１２．［９］㊀贺福．碳纤维及其应用技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．ＨＥＦｕ．Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｂｅｉ⁃ｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２００４．［１０］㊀ＨＥＢＬ，ＹＵＹＸ，ＬＩＬ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１３，７９１⁃７９３：４９８⁃５０１．（编辑：薛永利）３８２０２０年２月许桂阳，等：国产Ｔ１０００级碳纤维性能第１期。
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［５】Ｐｒｏｃ订Ａ，Ｓｋｒｗ∞ｄ ＰＭＡ．ｏ胁阴１９８３，２１：５３
［６】Ｈｕ粕ｇ Ｙｕｄｏｎｇ（黄玉东），ｃ∞ＨａｉＨｎ（曹海琳）’Ｓｌｌａｏ ｌｕ（邵路）
“耐．』生ｅｍ印韶Ｐ胁蛔｛４ｂ＆嘶＾月。如烈宇航材料工艺）【Ｊｌ，
２００２．１：１９
Ｔｈｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ＩⅡｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅⅡＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒｓ
Ｂｉｏｇ‘印ｈｙ：ｗ蛐ｇ ｓｏｎｇ，Ｐｈ．Ｄ．，ｓ诅ｋ Ｋｅｙ Ｌ丑ｂ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ＆ｍｍｉｃ Ｆｉｂｅ腊＆ｃｏｍｐ０８ｎｅ，Ｎ撕ｏｎａｌ ｕｎｉｖｅ培姆ｏｆ Ｄｅｆｅｎ８ｅ Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ， ｃｈ蚰ｇＢｈ４ｌ∞７３，ＰｒＲ．ｃｈｉｎ“Ｅ－ｍｉｌ：ｗ如ｇｓｏⅡ９０７３１＠１６３．ｃｏｍ
第３６卷 ２００７年
增刊ｌ Ｂ月
稀有金属材料与工程
ＲＡＲＥ ＭＥｌＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｖ０１．３６，ｓｕｐｐｌ．１ Ａｕｇｕｎ ２００７
不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比
王松，陈朝辉，李伟
（国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室，湖南长沙４１００７３）
３．２纤维表面物理状态 利用ｓＥＭ观测了Ｔ３００纤维和Ｊｃ２＃纤维的表面
形貌，结果见图２。从照片中可观测到碳纤维表面粗 糙，存在明显的沟槽。通过对比发现陀２＃纤维的表 面沟槽较浅，且分布均匀，走向与纤维轴向基本平行。 Ｔ３００纤维的表面沟槽更深，且走向杂乱。Ｔ３００纤维 的表面形貌更有利于纤维与基体以机械互锁的形式， 形成强的物理结合。 ３．３ ｃ，ｓｉｃ复合材料纤维一基体界面状态
碳纤维表面Ｏ原子是ＰＡＮ原丝炭化后再经表面
上胶剂，为真实反映纤维表面状态，纤维在进行表面 分析前进行了除胶处理：真空４００℃下保温３０ｍｉｎ。
ｘ光电子能谱（ｘｐｓ）用于分析碳纤维表面化学
氧化处理引入的，Ｏ原子含量高说明纤维在表面处理 时氧化程度更高。纤维表面Ｎ原子是ＰＡＮ先驱体未 充分裂解而残余的，其含量不仅与纤维炭化温度有关，
经界面微脱粘法测试得出Ｔ３００纤维与基体的界面微脱粘载荷是Ｊｃ２群纤维的２倍。高表面活性和粗糙物理表面是Ｔ３００
纤维在ｃ，ｓｉｃ复合材料中形成强界面结合的根本原因。
关键词，碳纤维；表面：界面；复台材料
中图法分类号：’ｍ３３２
文献标识码：Ａ
文章编号：ｌ００２—１８５ｘ（２００７）ｓｌ－０６０８－０３
１ 前言
万方数据
不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
王松， 陈朝辉， 李伟， Wang Song， Chen Zhaohui， Li Wei 国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室,湖南,长沙,410073
收稿日期，２００７．０２．２８
作者简介：王挫，男，ｔ９７６年生，博士．国防科技大学ｃＦｅ国防科技重点实验室，潮南长＿陟４１０昕３，Ｅ－ｍ蠹ｊ：ｗ旺鲫９０７，ｌ＠１６３正ｏ∞
万方数据
增刊１
王松等：不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比
还有炭化工艺有关【４】。Ｏ．Ｎ杂原子含量越大，纤维活 性越高。体现纤维表面活性的“ｃ比值和Ｎ，Ｃ比值， Ｔ３００纤维分别为０．１１４和０．０３８．而Ｊｃ２＃纤维的对应 值仅为Ｏ．０５５和ｏ．０１３。由此说明Ｔ３００纤维具有更高 的表面活性。
ｏｆ Ｊｃ２＃酊ｂｃＬ Ｈｉｇｈ
ｐｈｙｓｉｅ８Ｉ钒ｌｒ血ｃｅ ｏｆＴ３００石ｂｅｒ ｗｅｒｅ ａｌｔ曲ｕｔｃｄ ｔｏ ｔｈｃ Ｂ仃ｏｎｇ ｉｎｔｅ血ｃｉａｌｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆｔｌＩｃ ｃｏｍｐ０８ｉｔｃｓ．
－【ｅｙ ｗ们ｒｄ－：明ｆｂｏｎ ｎｂｅＢ ｓｕｒｆａｃｅ日ｔｎｔｅ；ｉｎｔｅ血ｃｅ；ｃＯ娜Ｏｓｉｔｅｓ
ｃ洲１ｐ０８ｊｔ％埘ｎｆｏＩ口ｃｄｗ妯恤ｃｔｗｏ ｎｂｅ强，Ｒｃ∞ｎ８ ｓｈａｗｅｄｔｈａｔｔｈｅ ｓｕｒｆｈｅ ｏｆＴ３００助ｅｒｈａｄｍｏ坤ｏｘｙｇ曲咖ｍｓｔｈ明ｔｈ砒ｏｆＪＣ２拌６ｂｅ‘
ａｎｄ ｔｈｅ∞ｎｔ∞ｔ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ａｔｏｍ ｗａ８ ｏｎｌｙ ８６％ｉｎ Ｔ３００，ｗｈｅｍａｓ ｉｔ ｉｓ ９３％ｉｎ ＪＣ２撑ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔ３００ ｎｂ盯ｈａｄ ａ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｍｏｒｅ ｓｅｖｃｒｃ
符。Ｔ３００纤维高表面活性和粗糙物理表面是导致其在 ｃ，ｓｉｃ复合材料中形成强界面结合的根本原因。
４结论
１）Ｔ３００纤维表面具有更为丰富的０和Ｎ杂原子 含量，其ｃ原子含量仅为８６．Ｏ％；而Ｊｃ纤维的表面ｃ 原子含量达到９３％。Ｔ３００纤维的表面更为粗糙，其表 面沟槽粗壮杂乱，Ｊｃ纤维的表面沟槽相对均匀平整。
！！！塑堡坐！
ｏ，ｃ Ｎ，ｃ
！！！垒！！型！！！！盐
Ｔ３００＝竺焉２‰４ ５３２．６ ４００．２ １０３．０ ０１１４ ｏ．０３８
ａｔ％
８６．Ｏ ９．８
３３ ０．Ｂ
…。嬲焉：ｓ一¨ｓ：川ｏｏ，－ｏ：．ｓ。删。。。，
８ｔ％
９３．０ ５．１
１．２
Ｏ．６
图２ １３００纤维（ａ）和Ｊｃ２群纤维（ｂ）表面ｓＥＭ照片 Ｆｉｇ．２ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｇｒａ岫ｓ ｏｆ”００（ａ）扯ｄ Ｊｃ２撑（ｂ）肋ｅ碍
纤维在ｃ，ｓｉｃ复合材料中的不同界面状态。
ｓｉ原子，由于其原子含量更小，在ｘＰｓ谱图中没有形
２实验部分
Ｔ３００碳纤维和Ｊｃ２＃碳纤维均为商业级队Ｎ基高
强型产品。标称拉伸强度为３１００～３５００ ＭＰａ，拉伸模 量２１０～２３０ ＧＰａ。由于商业级碳纤维表面存在一定的
成明显的特征峰。Ｔ３００纤维表面的Ｏ，Ｎ杂质原子含 量更高，分别达到９．８％和３．３％。其表面ｃ原子含量 仅为８６，０％，比Ｊｃ２＃纤维的表面Ｃ原子含量低７个 百分点。
摘要：对比研究了进口Ｔ３００碳纤维和国产Ｊｃ２撑纤维的表面状态及其在ｃ，ｓｉｃ复台材料中形成的界面状态。结果显示
Ｔ３００纤维表面０和Ｎ杂原子含量丰富。其ｃ原子含量仅为８６．Ｏ％；而Ｊｃ２＃纤维的表面ｃ原子含量达到９３％。与Ｊｃ群
纤维相比，Ｔ３００纤维的表面更为粗糙，其袁面沟槽粗壮杂乱。在ｃ，ｓｉｃ复合材辩中，Ｔ３００纤缝与ｓｉｃ基体紧密结合，
图３ Ｔ３００ｃ，ｓｉｃ（ａ）和Ｊｃ硝ｃ，ｓｉｃ（”断口形貌 Ｆｉｇ．３ Ｃｍｓｓ－ｓ∞ｔｉ０吐ＩⅢｏｒｐｈｏｌｏｇｉ髓ｏｆｄＳｉＣ ｃｏｍｐ０８ｉｔｃｓ：（ａ）
Ｔ３００ｃ，ｓｉｃ∞ｄ（ｂ）Ｊｃ２＃ｃ，ｓｉｃ
微脱牯法可表征复合材料中纤维一基体界面结合
强度Ⅳ】。样品规格为庐４ ｍｍｘ３∞，纤维为单向排
以聚碳硅烷为先驱体，经９个浸渍裂解周期制各而成。
面及最终性能有着较大的影响。碳纤维表面状态包括 表面化学状态与表面物理状态：表面化学状态决定纤 维．基体化学界面的结合强弱；表面物理状态决定界面
３实验结果
３．１纤维表面化学状态
的物理结合强弱。 不同碳纤维具有特有的表面状态，从而形成不同
状态的复合材料界面。日本东丽公司产”００碳纤维
２）在ＰＩｐ工艺制备的ｃ／ｓｉｃ复合材料中，Ｔ３００ 纤维与基体结合紧密；Ｔ３００ ｃ／ｓｉｃ复合材料界面微脱 粘载荷是Ｊｃ２＃ｃ／ｓｉｃ复合材料的２倍。
３）高表面活性和粗糙物理表面是Ｔ３００纤维在 ｃ／ｓｉｃ复合材料中形成强界面结合的根本原因。
参考文献 鼬ｆｅｒｅｎｃｅｌ
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碳纤维表面化学状态决定纤维表面自由能，从而 影响纤维与基体的润湿性和反应活性【３】。ＸＰｓ是研究 纤维表面化学状态的有效手段。图ｌ和表１反映了
பைடு நூலகம்
和国内吉林炭素厂生产的Ｊｃ２＃纤维同为ＰＡＮ基高强 型碳纤维，两种纤维具有相当的力学性能：拉伸强度
Ｊｃ２＃碳纤维和Ｔ３００碳纤维在表面化学组成上的差异。 从图１可知，碳纤维表面中主要具有ｃｌｓ峰（２８４．５ ｅ、１，
ｄ蒯胁＾Ｍ垃斜【Ｊ】，２００ｌ，６ｌ：３５５
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ｎｂｅｒ ｉｎ ｃｏｍｐｏ酝ｔ髓：∽Ｔ３００ ｃ／ｓｊｃ ａｎｄ㈣Ｊｃ２拌ｃ，ｓｉｃ
从图４中可看出，当纤维与ｓｉｃ基体刚好完全脱 粘时，Ｔ３００ ｃ，ｓｉｃ的微脱粘力值为２１ｌ ｍＮ，而Ｊｃ硝 ｃ／Ｓｉｃ的微脱粘力值仅为１０５ ｍＮ，前者是后者的２倍。 由于试样制备方式、纤维直径、基体基本相同，因而 可认为Ｔ３００ ｃ／ｓｉｃ的界面结合强度是Ｊｃ２＃ｃ，Ｓｉｃ的２ 倍。微脱粘法测试结果与材料断口ｓＥＭ观测结果相
３１００～３５００ ＭＰａ，拉伸模量２ｌＯ～２３０ ＧＰａ。本研究运 用了ｘＰｓ，ｓＥＭ及界面微脱粘法等多种表征手段，主
ｏｌｓ峰（５３２ ｅｖ）以及较弱的Ｎｌｓ峰（４００ ｅ、，），这表明碳 纤维表面除了Ｃ原子，还存在ｏ，Ｎ等杂原子。根据
要对比了两组碳纤维的表面化学与物理状态以及两组 表１中分析数据可知，两种碳纤维表面还存在微量的