两种T700碳纤维表面特性及其复合材料界面性能
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６ ０ ３复 合 材 料 。 在 室 温 干 态条 件 下 ， ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３复合 材 料 的层 间 剪切 强度 （ Ｉ Ｌ Ｓ Ｓ ） 大于Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３复 合 材 料 。 但 是 在 湿 热 老 化环境 中， Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３复 合 材 料 最 终 的 剪 切 强 度 保 留 率 大 于 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３复 合 材 料 。 关 键 词 ：碳 纤 维 ；复 合 材料 ；浸 润性 ；界 面
和浸润 性 进 行 了分 析 ， 并对其 复合材料 （ ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ ／
６ ０ ３和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３ ） 在 干 态 和湿 态 下 的宏 观 界 面 性
图 １为 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ纤 维 表 面 的 Ｓ Ｅ Ｍ 照 片 。可 以看 出 ， 两 种 纤 维 的表 面 粗 糙 度有 着 明 显 区 别： ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ碳 纤维 表 面 （ 图１ ａ ） 沿 纤 维 径 向 分 布着 许 多 相互 平 行 的沟 槽 ， 而Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳 纤 维 （ 图１ ｂ ） 表
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
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
复合材 料 由航 天 工艺材 料研 究所 提供 。
１ ． ２ 实验方 法
采 用扫 描 电子显微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ， Ｚ ｅ ｉ ｓ ｓ Ｓ ｕ ｐ ｒ ａ ５ ５ ） 观 察 两种碳 纤维 的表 面微 结 构 ； 采用 Ｘ射 线 光 电子 能谱
界 面相组 成 ， 碳 纤 维作 为增强 相主要 起 承载 作 用 ， 树 脂作 为 基体相 主 要 起 连接 增 强 相 和 传载 作 用 ， 界 面 是 连接碳 纤维 和基 体 树脂 的重 要 “ 枢纽” ， 同时起 着 从 基体 向纤 维传递 外加 载荷 的作 用 。因此碳 纤 维 复 合 材料 的力 学性 能及破 坏行 为不仅 取决 于碳 纤 维 和
１ ９ ８ ２ （ １ ９ ９ ６ ） 单 向纤 维 增 强 塑 料 层 间剪 切 强 度 试 验
方法 ， 测定 两种 Ｔ ７ ０ ０碳纤 维 复合材 料 （ ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３
和Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３ ） 分别 在 干态 以及浸 泡于 ７ ０ ￣ Ｃ 去 离子 水 中不 同时 间下 的层 问剪 切 强 度 ， 每个 数 据 点 取 ５
系列 优点 ， 因此 被 广 泛 应用 于航 天 航 空 、 风力发 电、 石油 开 采 、 电 力 输 送 和交 通 运 输 等 多 个 领 域 ¨ 。 碳纤 维 复合材 料 由碳纤 维 、 树 脂 基 体 和 两者 之 间 的
产的 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳 纤 维 。Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３
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响到 复合材 料 的宏 观 性 能 。本 文 采 用 Ｓ Ｅ Ｍ、 Ｘ Ｐ Ｓ
和接触 角测 试 方 法 分 别 对 国产 和 进 口的两 种 Ｔ ７ ０ ０ 碳 纤维 的表 面特 性 包 括 表 面微 结 构 、 表 面 化 学 特 性
个试 样 的平均值 。
２ 结 果 与讨 论
２ ． １ 两种 碳纤 维 的表面微 结构
摘 要 ：分 别 用 扫描 电子 显微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 、 ｘ 射 线 光 电 子 能谱 （ Ｘ Ｐ Ｓ ） 以及 接 触 角 测 量 仪 分 析 了 国产 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ 碳 纤 维 和 东 丽
Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ两种碳纤 维的表 面微结构 、 表 面化 学特性 以及 与树脂 的浸润性 ， 并对其 环氧树 脂复合材料 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３ 在干态和湿态下的界 面性能进行 了研 究。结果表 明， Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ碳 纤维表 面 Ｏ ／ Ｃ比和活性碳原 子含 量比 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳 纤维 高， 并且 表面具有明显的沟槽 ， 因此 ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ与树脂的浸润性好 于 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳纤 维， 可以与 ６ ０ ３树脂形成具有 良好界 面粘 结的 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／
３ ０
两种 Ｔ ７ ０ ０碳 纤维表 面特性及其 复合材料界 面性 能
两种 Ｔ Ｔ ０ ０碳 纤维 表 面特 性 及 其复合 材 料界 面 性能
郝 华 ，李 鹏 ，凌 辉 ，孙 宏杰
（ １ ．北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室 ，北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ； ２ ．航天材料及工艺研 究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ６ ）
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 —
和浸润 性 进 行 了分 析 ， 并对其 复合材料 （ ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ ／
６ ０ ３和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３ ） 在 干 态 和湿 态 下 的宏 观 界 面 性
图 １为 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ纤 维 表 面 的 Ｓ Ｅ Ｍ 照 片 。可 以看 出 ， 两 种 纤 维 的表 面 粗 糙 度有 着 明 显 区 别： ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ碳 纤维 表 面 （ 图１ ａ ） 沿 纤 维 径 向 分 布着 许 多 相互 平 行 的沟 槽 ， 而Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳 纤 维 （ 图１ ｂ ） 表
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
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
复合材 料 由航 天 工艺材 料研 究所 提供 。
１ ． ２ 实验方 法
采 用扫 描 电子显微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ， Ｚ ｅ ｉ ｓ ｓ Ｓ ｕ ｐ ｒ ａ ５ ５ ） 观 察 两种碳 纤维 的表 面微 结 构 ； 采用 Ｘ射 线 光 电子 能谱
界 面相组 成 ， 碳 纤 维作 为增强 相主要 起 承载 作 用 ， 树 脂作 为 基体相 主 要 起 连接 增 强 相 和 传载 作 用 ， 界 面 是 连接碳 纤维 和基 体 树脂 的重 要 “ 枢纽” ， 同时起 着 从 基体 向纤 维传递 外加 载荷 的作 用 。因此碳 纤 维 复 合 材料 的力 学性 能及破 坏行 为不仅 取决 于碳 纤 维 和
１ ９ ８ ２ （ １ ９ ９ ６ ） 单 向纤 维 增 强 塑 料 层 间剪 切 强 度 试 验
方法 ， 测定 两种 Ｔ ７ ０ ０碳纤 维 复合材 料 （ ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３
和Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３ ） 分别 在 干态 以及浸 泡于 ７ ０ ￣ Ｃ 去 离子 水 中不 同时 间下 的层 问剪 切 强 度 ， 每个 数 据 点 取 ５
系列 优点 ， 因此 被 广 泛 应用 于航 天 航 空 、 风力发 电、 石油 开 采 、 电 力 输 送 和交 通 运 输 等 多 个 领 域 ¨ 。 碳纤 维 复合材 料 由碳纤 维 、 树 脂 基 体 和 两者 之 间 的
产的 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳 纤 维 。Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３
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响到 复合材 料 的宏 观 性 能 。本 文 采 用 Ｓ Ｅ Ｍ、 Ｘ Ｐ Ｓ
和接触 角测 试 方 法 分 别 对 国产 和 进 口的两 种 Ｔ ７ ０ ０ 碳 纤维 的表 面特 性 包 括 表 面微 结 构 、 表 面 化 学 特 性
个试 样 的平均值 。
２ 结 果 与讨 论
２ ． １ 两种 碳纤 维 的表面微 结构
摘 要 ：分 别 用 扫描 电子 显微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 、 ｘ 射 线 光 电 子 能谱 （ Ｘ Ｐ Ｓ ） 以及 接 触 角 测 量 仪 分 析 了 国产 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ 碳 纤 维 和 东 丽
Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ两种碳纤 维的表 面微结构 、 表 面化 学特性 以及 与树脂 的浸润性 ， 并对其 环氧树 脂复合材料 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／ ６ ０ ３和 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ ／ ６ ０ ３ 在干态和湿态下的界 面性能进行 了研 究。结果表 明， Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ碳 纤维表 面 Ｏ ／ Ｃ比和活性碳原 子含 量比 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳 纤维 高， 并且 表面具有明显的沟槽 ， 因此 ＭＴ ７ ０ ０ Ｃ与树脂的浸润性好 于 Ｔ ７ ０ ０ Ｓ Ｃ碳纤 维， 可以与 ６ ０ ３树脂形成具有 良好界 面粘 结的 Ｍ Ｔ ７ ０ ０ Ｃ ／
３ ０
两种 Ｔ ７ ０ ０碳 纤维表 面特性及其 复合材料界 面性 能
两种 Ｔ Ｔ ０ ０碳 纤维 表 面特 性 及 其复合 材 料界 面 性能
郝 华 ，李 鹏 ，凌 辉 ，孙 宏杰
（ １ ．北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室 ，北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ； ２ ．航天材料及工艺研 究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ６ ）
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 —