国产高性能碳纤维组织结构表征与性能分析
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展
摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
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。
不同直径的T800级高强中模碳纤维的结构对比
研究与开发合成纤维工业ꎬ２０１８ꎬ４１(５):５ＣＨＩＮＡ㊀ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ㊀ＦＩＢＥＲ㊀ＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀收稿日期:２０１８￣０５￣１４ꎻ修改稿收到日期:２０１８￣０８￣０７ꎮ作者简介:钟俊俊(１９８６ )ꎬ女ꎬ工程师ꎬ主要从事高性能碳纤维检测表征工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈｏｎｇｊｊ＠ｎｉｍｔｅ.ａｃ.ｃｎꎮ基金项目:中科院创新基金项目(ＣＸＪＪ￣１７￣Ｍ１６０)ꎻ装备发展部领域基金重点项目(６１４０９２２０１０１０３)ꎮ㊀∗通讯联系人ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｑｘ３０２３＠ｎｉｍｔｅ.ａｃ.ｃｎꎮ不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维的结构对比钟俊俊ꎬ钱㊀鑫∗ꎬ张永刚ꎬ王雪飞ꎬ李德宏ꎬ宋书林(中国科学院宁波材料技术与工程研究所碳纤维制备技术国家工程实验室ꎬ浙江宁波３１５２０１)摘㊀要:对自制的两种不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维(ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２)的结构与性能进行了研究ꎬ并与日本东丽公司Ｔ８００碳纤维进行了比较ꎮ结果表明:ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２的直径分别为５.６４ꎬ６.３１μｍꎬ均高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(５.４５μｍ)ꎬ截面比日本东丽公司Ｔ８００碳纤维规整ꎻＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２的拉伸强度分别为５.５８ꎬ５.５６ＧＰａꎬ略高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(５.５２ＧＰａ)ꎬ拉伸模量分别为２９３ꎬ２９５ＧＰａꎬ略高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(２９０ＧＰａ)ꎬ断裂伸长率分别为１.９７％ꎬ１.８９％ꎬ均高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(１.８０％)ꎻＮＢＦ２的石墨微晶层间距为０.３５２７ｎｍꎬ显著低于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(０.３５５５ｎｍ)ꎬＮＢＦ２具有更高的石墨化程度ꎻ碳纤维表面无序化程度越低ꎬ其拉伸强度越高ꎮ关键词:碳纤维㊀聚丙烯腈纤维㊀高强中模㊀结构㊀性能中图分类号:ＴＱ３４２＋.７４２㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣００４１(２０１８)０５￣０００５￣０４㊀㊀聚丙烯腈(ＰＡＮ)基碳纤维具有高强度㊁高模量㊁耐高温㊁耐腐蚀㊁导电㊁导热等独特性能ꎬ因而广泛用作先进复合材料的增强体[１－３]ꎮＰＡＮ基碳纤维按照力学性能可以分为高强中模㊁高模和高强高模三大类ꎬ高强中模碳纤维以日本东丽公司Ｔ３００ꎬＴ７００ꎬＴ８００等为典型代表ꎮ近年来碳纤维发展迅速ꎬ新性能产品不断出现ꎬ因而高模和高强高模概念有所延伸ꎮ目前高模是以日本Ｍ４０ＪꎬＭ５０ＪꎬＭ５５Ｊ中强高模碳纤维为代表ꎬ并逐渐取代了最初Ｍ４０ꎬＭ５０等低强高模纤维ꎻ而高强高模则是最近几年国内外研究热点ꎬ该产品特点是同时具有高强度㊁高模量ꎬ以日本东丽Ｔ１１００Ｇ(拉伸强度７.０ＧＰａ㊁拉伸模量３２４ＧＰａ)㊁美国佐治亚理工学院研制的高性能碳纤维(拉伸强度５.５~５.８ＧＰａ㊁拉伸模量３５４~３５７ＧＰａ)[４]为代表ꎮ近期中国科学院宁波材料技术与工程研究所研制出拉伸强度５.２４ＧＰａꎬ拉伸模量５９３ＧＰａ型碳纤维也呈现出兼具高强度㊁高模量的特征ꎮ目前碳纤维市场仍然被日本及美国等垄断ꎬ经过多年自主研发ꎬ国内碳纤维发展迅速ꎬ主体性能指标也不断突破ꎬ但由于国内产品大多是参照国外尤其是日本东丽公司产品性能指标发展及分级ꎬ对于结构或性能等不同规格的碳纤维研发有待开展ꎮ依据Ｗｅｉｂｕｌｌ最弱链接理论ꎬ纤维拉伸断裂出现在最大缺陷处ꎬ纤维尺寸越大ꎬ出现较大缺陷概率也随之增高ꎬ因而纤维直径越细ꎬ碳纤维拉伸强度越高[５]ꎮ若在不同纤维直径下获得的碳纤维力学性能相同或相近ꎬ其内部结构是否存在显著区别ꎬ对此目前国内外尚未有报道ꎮ基于上述碳纤维研究现状分析ꎬ作者以自制两种不同直径的Ｔ８００级碳纤维为研究对象ꎬ对比研究了相近力学性能下不同直径的自制Ｔ８００级碳纤维微观结构的差异ꎬ同时以日本东丽Ｔ８００碳纤维作为对比ꎮ本研究对阐明高强中模碳纤维的结构㊁性能关联性ꎬ尤其不同规格产品的开发具有一定的指导意义ꎮ１㊀实验１.１㊀主要原料及试样丙烯腈:纯度大于等于９９.０％ꎬ台州市中海医药化工有限公司提供ꎻ衣康酸(化学纯)㊁偶氮二异丁氰(分析纯):国药集团化学试剂有限公司提供ꎻ东丽ＰＡＮ基碳纤维:规格Ｔ８００ꎬ１２Ｋꎬ简称Ｔ８００碳纤维ꎬ日本东丽公司生产ꎮ１.２㊀实验方法Ｔ８００级碳纤维的制备:以丙烯腈㊁衣康酸为原料ꎬ偶氮二异丁腈为引发剂ꎬ采用湿法纺丝工艺ꎬ经聚合㊁纺丝㊁高温拉伸㊁上油等工艺制备得到ＰＡＮ原丝ꎬ再经过１８０~２６０ħ预氧化㊁３００~８００ħ低温碳化㊁１０００~１６００ħ高温碳化工艺制备得到ＰＡＮ基碳纤维ꎬ其中通过ＰＡＮ原丝制备过程中喷丝孔径调控来获得不同直径纤维ꎮ小直径丝束规格为１２Ｋꎬ大直径丝束规格为６Ｋꎬ分别标记为ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样ꎮ１.３㊀测试力学性能:按照ＧＢ/Ｔ３３６２ ２００５试验标准ꎬ使用美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司５５６９型万能材料试验机测试碳纤维的拉伸强度ꎬ加载速度２.０ｍｍ/ｍｉｎꎬ测试８个试样取平均值ꎮ形貌结构:利用美国ＦＥＩ公司ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型场发射扫描电镜(ＳＥＭ)对两种自制Ｔ８００㊁东丽Ｔ８００碳纤维表面㊁断面形貌进行观察ꎻ同时ꎬ通过截面形貌对纤维直径进行了统计分析ꎬ纤维直径取３０根纤维直径的平均值ꎮＸ射线衍射(ＸＲＤ):采用日本Ｒｉｇａｋｕ公司Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＤａｖｉｎｃｉ型Ｘ射线衍射仪进行测试ꎮ测试条件:采用Ｎｉ过滤的ＣｕＫα辐射(波长为０.１５４１８ｎｍ)ꎬ管压４０ｋＶꎮ测试时将纤维研磨成粉末放置在载物台上ꎬ采用对称透射几何安排进行纤维衍射并进行赤道扫描ꎮ拉曼光谱:使用英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司ｉｎＶｉａ￣ｒｅ￣ｆｌｅｘ型激光拉曼光谱仪对碳纤维拉曼光谱进行测试ꎮ激发光波长为５３２ｎｍ(氩离子)ꎬ扫描时间为１０~３０ｓꎬ光谱分辨率为１ｃｍ－１ꎬ拉曼光谱扫描波数为６００~２１００ｃｍ－１ꎬ采用高斯￣洛伦兹拟合以获得峰结构信息ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀力学性能从表１可以看出ꎬ两种规格Ｔ８００级碳纤维ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２拉伸强度与拉伸模量均略高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ而自制Ｔ８００级碳纤维断裂伸长率也明显高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ表１㊀自制Ｔ８００级碳纤维与Ｔ８００碳纤维性能对比Ｔａｂ.１㊀ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＣｈｉｎａ￣ｍａｄｅＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样线密度/ｔｅｘ体密度/(ｇ ｃｍ－３)拉伸强度/ＧＰａ拉伸模量/ＧＰａ断裂伸长率ꎬ％ＮＢＦ１４５０１.７８５.５８２９３１.９７ＮＢＦ２３１５１.８０５.５６２９５１.８９Ｔ８００碳纤维４５０１.８０５.５２２９０１.８０㊀㊀对于碳纤维线密度ꎬＮＢＦ１试样与日本东丽Ｔ８００碳纤维同为１２Ｋ规格碳纤维ꎬ两者线密度相同均为４５０ｔｅｘꎻ根据产品信息日本东丽Ｔ８００碳纤维６Ｋ规格的线密度为２２４ｔｅｘꎬ而ＮＢＦ２试样的丝束规格同为６Ｋ情况下ꎬ纤维的线密度高达３１５ｔｅｘꎬ线密度越高ꎬ说明获得相同质量所需纤维长度越短ꎬ即纤维直径越大ꎮ２.２㊀形貌结构由图１试样的表面ＳＥＭ照片可以看出ꎬ自制Ｔ８００级碳纤维(ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样)与日本东丽Ｔ８００碳纤维均存在明显的轴向沟槽ꎬ该结构产生与ＰＡＮ原丝制备过程中双扩散过程有关[６]ꎮ从图１还可以看出ꎬ日本东丽Ｔ８００碳纤维沟槽结构更为明显ꎬ这是由于其原丝制备过程中双扩散过程更为剧烈ꎮ而从纤维断面形貌图中也可以看出ꎬ自制ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样断面较日本东丽Ｔ８００碳纤维截面要规整ꎮ图１㊀碳纤维的表面及断面形貌的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ.１㊀ＳＥＭｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓ￣ｓｅｃｔｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ㊀㊀按照ＧＢ/Ｔ２９７６２ ２０１３碳纤维纤维直径和横截面积的测定ꎬ对自制ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２及日本东丽Ｔ８００碳纤维直径理论值按公式(１)进行计算ꎮｄ＝４ｔˑ１０３/πρｎ(１)式中:ｄ为纤维的理论直径ꎻｔ为纤维的线密度ꎻρ为纤维的体密度ꎻｎ为纤维单丝根数ꎮ㊀㊀同时使用ＳＥＭ对纤维截面测量计算得到纤６㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４１卷维直径数据如表２所示ꎮ表２㊀碳纤维的直径Ｔａｂ.２㊀Ｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样直径/μｍ理论值实测值ＮＢＦ１５.１８５.６４ʃ０.２２ＮＢＦ２６.０９６.３１ʃ０.１３Ｔ８００碳纤维５.１５５.４５ʃ０.１２㊀㊀按照公式(１)计算ꎬ在小直径ＮＢＦ１试样与日本东丽Ｔ８００碳纤维具有相同丝束规格情况下ꎬ由于小直径ＮＢＦ１试样体密度较小ꎬ因而纤维理论直径要稍微高于东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ经ＳＥＭ截面实测的小直径ＮＢＦ１试样要高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ而对于大直径ＮＢＦ２试样ꎬ纤维直径的理论值和实测值均显著高于小直径ＮＢＦ１和日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ其实测值达到６.３１μｍꎮ２.３㊀微晶结构石墨微晶层间距(ｄ００２)及微晶堆砌厚度(Ｌｃ)是评价碳纤维石墨特征结构两个重要参数ꎮｄ００２值的大小和(００２)晶面衍射峰峰形的宽窄可以反映材料的石墨化程度的高低ꎬｄ００２值越小ꎬ(００２)峰越窄ꎬ表示石墨化程度越高ꎮｄ００２和Ｌｃ可利用ＸＲＤ赤道扫描图中的(００２)峰的半峰宽(ＦＷＨＭ)通过布拉格公式和谢乐公式进行计算[７]ꎮ通过对ＸＲＤ赤道扫描分析计算得到３种碳纤维结构参数如表３所示ꎮ表３㊀碳纤维的ＸＲＤ结构参数Ｔａｂ.３㊀ＸＲＤｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样２θ(００２)/(ʎ)ｄ００２/ｎｍＦＷＨＭ(００２)/ (ʎ)Ｌｃ/ｎｍＮＢＦ１２５.１３０.３５４１４.５６１.９８ＮＢＦ２２５.２３０.３５２７４.５９１.９７Ｔ８００碳纤维２５.０３０.３５５５４.６６１.９４㊀㊀从表３可以看出ꎬ自制Ｔ８００级碳纤维的ｄ００２要显著低于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ而Ｌｃ也略高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ对于大直径ＮＢＦ２纤维ꎬｄ００２为０.３５２７ｎｍ略低于小直径ＮＢＦ１的０.３５４１ｎｍꎬ但远低于日本东丽Ｔ８００碳纤维的０.３５５５ｎｍꎬ说明ＮＢＦ２试样的石墨化度要高于其他两种纤维ꎬ在３种碳纤维拉伸强度及拉伸模量相近情况下ꎬＮＢＦ２试样高石墨化度将更有利于制备高模碳纤维ꎮ２.４㊀拉曼光谱拉曼光谱是碳纤维微观结构最为常用且有效的表征手段之一[８－９]ꎬ但其检测范围局限在一定范围内ꎬ通常可对纤维表面数十纳米范围内结构进行明确表征[１０]ꎮ碳纤维拉曼光谱在１０００~２０００ｃｍ－１波数内会出现两个典型峰ꎬ分别是位于１５８０~１６００ｃｍ－１附近的Ｇ峰和１３５０~１３６０ｃｍ－１附近的Ｄ峰ꎬ其中Ｇ峰是石墨化层平面内碳原子(ＳＰ２杂化)的伸缩振动峰ꎬ代表了有序石墨化结构峰ꎻＤ峰则是石墨片层边缘碳原子(ＳＰ３杂化)的伸缩振动峰ꎬ代表了无序结构峰[５ꎬ１１－１２]ꎮ两个峰面积比值(ＩＤ/ＩＧ)代表了碳纤维无序化程度ꎬ数值越大㊁纤维无序化程度越高ꎮ从图２可以看出ꎬ３种纤维均存在显著的无序结构Ｄ峰和石墨结构Ｇ峰ꎬ其中Ｄ峰位于１３６０ｃｍ－１附近ꎬＧ峰位于１６００ｃｍ－１附近ꎮ图２㊀碳纤维的拉曼光谱Ｆｉｇ.２㊀Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ１ ＮＢＦ１试样ꎻ２ ＮＢＦ２试样ꎻ３ Ｔ８００碳纤维㊀㊀经拟合分峰得到峰结构详细参数如表４所示ꎮ从表４可以看出ꎬ小直径ＮＢＦ１试样的ＩＤ/ＩＧ值要显著低于其他两种纤维ꎮ表４㊀碳纤维的拉曼光谱分析结果Ｔａｂ.４㊀Ｒａｍａｎｐｅａｋｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样Ｄ峰峰位/(ｃｍ－１)ＦＷＨＭ/(ｃｍ－１)峰面积Ｇ峰峰位/(ｃｍ－１)ＦＷＨＭ/(ｃｍ－１)峰面积ＩＤ/ＩＧＮＢＦ１１３６０.６２３２.８５７２.５７１５９４.４８９.０１２１.４９３.３８ＮＢＦ２１３５９.６２２４.１５７０.９９１６００.１８４.９６１８.９１３.７５Ｔ８００碳纤维１３６２.１２４２.２０７２ꎬ６８１５９８.４８８.２１１９.２０３.７９㊀㊀这说明ＮＢＦ１中纤维表面的无序化程度较低ꎬ结合表１中的纤维力学性能数据可以看出ꎬＩＤ/ＩＧ与碳纤维拉伸强度存在一定对应关系ꎬＩＤ/ＩＧ越低㊁碳纤维的拉伸强度越高ꎬ其原因在于纤维表面结构越有序ꎬ表面的缺陷结构也越少ꎬ因７第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钟俊俊等.不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维的结构对比而碳纤维越有利于获得优异的性能ꎮ通过对比大直径ＮＢＦ２与日本东丽Ｔ８００碳纤维结构参数可看出ꎬ虽然两种纤维在直径上存在较大差异(见表２)ꎬ但两种纤维表面石墨化有序结构程度差异并不大ꎮ３㊀结论ａ.自制Ｔ８００级碳纤维截面较日本东丽Ｔ８００碳纤维截面要规整ꎬＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样的纤维直径分别５.６４ꎬ６.３１μｍꎬ均高于日本东丽Ｔ８００碳纤维的５.４５μｍꎮｂ.大直径Ｔ８００级碳纤维ＮＢＦ２的ｄ００２显著低于日本东丽Ｔ８００碳纤维的ｄ００２ꎬ证明该规格纤维具有更高的石墨化程度ꎮｃ.碳纤维表面无序化程度与碳纤维拉伸强度存在对应关系ꎬ纤维表面无序化程度越低ꎬ碳纤维的拉伸强度也越高ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀ＺｈａｏＭｉｎꎬＭｅｎｇＬｉｎｇｈｕｉꎬＭａＬｉｃｈｕｎꎬｅｔａｌ.Ｌａｙｅｒ￣ｂｙ￣ｌａｙｅｒｇｒａｆｔｉｎｇＣＮＴｓｏｎｔｏｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｉｎ￣ｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐＳｃｉＴｅｃｈꎬ２０１８ꎬ１５４:２８－３６.[２]㊀ＱｉａｎＸｉｎꎬＺｏｕＲｕｉｆｅｎꎬＯｕｙａｎｇＱｉｎꎬｅｔａｌ.Ｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｔｏｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＡｐｐｌＳｕｒｆＳｃｉꎬ２０１５ꎬ３２７:２４６－２５２. [３]㊀ＡｎｄｉｄｅｈＭꎬＥｓｆａｎｄｅｈＭ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙｏｘｉｄｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｂｙｇｒａｆｔｉｎｇｈｙｄｒｏｘｙｌａｎｄａｍｉｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓｏｎｉｎ￣ｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ２０１７ꎬ１２３:２３３－２４２.[４]㊀ＨａｎＧＣꎬＮｅｗｃｏｍｂＢＡꎬＧｕｌｇｕｎｊｅＰＶꎬｅｔａｌ.Ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ２０１５ꎬ９３:８１－８７.[５]㊀ＦｉｔｚｅｒＥ.ＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ￣ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｅａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｐｏｉｎｔｏｆｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｌｉｍｉｔｓｔｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｎｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｆｉｂｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ１９８９ꎬ２７(５):６２１－６４５. [６]㊀ＹｕＭｅｉｊｉｅꎬＸｕＹｏｎｇꎬＷａｎｇＣｈｅｎｇｇｕｏꎬｅｔａｌ.Ｈｅｒｅｄｉｔｙａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅ￣ｓｃａｌｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒ￣ｂｏｎｆｉｂｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｅｃｕｒｓｏｒｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＪＡｐｐｌＰｏｌｙｍＳｃｉꎬ２０１２ꎬ１２５(４):３１５９－３１６６.[７]㊀ＨｕａｎｇＹꎬＹｏｕｎｇＲＪ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｆｉｂｒｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｐｏｎｔｈｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆＰＡＮ￣ａｎｄｐｉｔｃｈ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ１９９５ꎬ３３(２):９７－１０７.[８]㊀ＭｅｌａｎｉｔｉｓＮꎬＴｅｔｌｏｗＰＬꎬＧａｌｉｏｔｉｓＣ.ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓｗｉｔｈｌａｓｅｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ.１.ＥｆｆｅｃｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅｓｏｎＲａｍａｎｂａｎｄｐｒｏｆｉｌｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＳｃｉꎬ１９９６ꎬ３１(４):８５１－８６０.[９]㊀ＦｒａｎｋＯꎬＴｓｏｕｋｌｅｒｉＧꎬＲｉａｚＩꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｎｉｖｅｒ￣ｓａｌｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒｆｏｒｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].ＮａｔＣｏｍ￣ｍｕｎꎬ２０１１ꎬ２(１):２５５.[１０]ＧａｌｉｏｔｉｓＣꎬＢａｔｃｈｅｌｄｅｒＤＮ.Ｓｔｒａｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔ￣ａｎｄｓｅｃｏｎｄ￣ｏｒｄｅｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＳｃｉＬｅｔｔꎬ１９８８ꎬ７(５):５４５－５４７.[１１]ＴｕｉｎｓｔｒａＦꎬＫｏｅｎｉｇＪＬ.Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ[Ｊ].ＪＣｈｅｍＰｈｙｓꎬ１９７０ꎬ５３(３):１１２６－１１３０.[１２]ＴｕｉｎｓｔｒａＦꎬＫｏｅｎｉｇＪＬ.Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｆｉｂｅｒｓｕｒ￣ｆａｃｅｓｗｉｔｈＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ[Ｊ].ＪＣｏｍｐＭａｔｅｒꎬ１９７０ꎬ４(４):４９２－４９９.ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆＴ８００ｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ￣ｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓＺｈｏｎｇＪｕｎｊｕｎꎬＱｉａｎＸｉｎꎬＺｈａｎｇＹｏｎｇｇａｎｇꎬＷａｎｇＸｕｅｆｅｉꎬＬｉＤｅｈｏｎｇꎬＳｏｎｇＳｈｕｌｉｎ(ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮｉｎｇｂｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＮｉｎｇｂｏ３１５２０１)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｅｌｆ￣ｍａｄｅＴ８００ｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ￣ｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓ(ＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２)ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆ５.６４ａｎｄ６.３１μｍꎬｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(５.４５μｍ)ꎬａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｗａｓｍｏｒｅｒｅｇｕｌａｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｔｅｎ￣ｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ５.５８ａｎｄ５.５６ＧＰａꎬｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(５.５２ＧＰａ)ꎬｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆ２９３ａｎｄ２９５ＧＰａꎬｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(２９０ＧＰａ)ꎬａｎｄｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎａｔｂｒｅａｋｏｆ１.９７％ａｎｄ１.８９％ꎬｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(１.８０％)ꎻＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｇｒａｐｈｉｔｅｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｉｎｔｅｒ￣ｌａｙｅｒｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ０.３５２７ｎｍꎬｐｒｏｆｏｕｎｄｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(０.３５５５ｎｍ)ꎬｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｅｒｇｒａｐｈｉｔｅｄｅｇｒｅｅｏｆＮＢＦ２ꎻｔｈｅｌｏｗｅｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｏｒｄｅｒｄｅｇｒｅｅｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎬｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｆｉｂｅｒꎻｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｍｏｄｕｌｕｓꎻｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｐｒｏｐｅｒｔｙ８㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４１卷。
不同级别碳纤维结构特点
不同级别碳纤维结构特点
不同级别的碳纤维结构特点有所不同，以下是各级别碳纤维的结构特点：
1. 一级碳纤维：具有高强度、高模量、低蠕变等特点，其拉伸强度和弹性模量均高于钢，且在高温下仍能保持较高的力学性能。
2. 二级碳纤维：高强度、高模量、良好的耐腐蚀性和抗氧化性、尺寸稳定性好、低蠕变、优良的耐磨损性、良好的导电导热性、阻燃性能好、可设计性强。
3. 三级碳纤板：表面光滑无接缝、厚度均匀、有韧性、耐高温可达300°C、绝缘性好、防静电、耐油污、使用寿命长。
4. 四级碳纤板：表面平滑、厚度一致，可以用于制作防弹背心和潜水艇等特殊场合。
总之，不同级别的碳纤维结构特点各异，根据不同的应用场景选择合适的碳纤维材料才能达到最佳的性能。
高性能纤维—碳纤维(纺织材料课件)
指标名称
密度／g．cm-3 强度／cN．tex-1 模量/ cN．tex-1 晶粒厚度／nm
取向角
普通型碳纤维 (A型或Ⅲ型)
1.71-1.93 91.8-140.7 9697．8-12390
<5.o >10°
高强型碳纤维 (C型或Ⅱ型)
1.69-1.85 132.8-177.4 13847-17723
子主链结构对纤维轴的择优取向，预氧化过程必须对纤维施加张力，
实行多段拉伸。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
3 预氧化的炭化
预氧丝在惰性气体保护下，在800~1500℃范围内发生碳化反应。纤
维中的非碳原子如N 、H、O等元素被裂解出去，预氧化时形成的梯形大
分子发生交联，转变为稠环状结构。纤维中的含碳量从60%左右提高到
达1000kcal/kg。这些热量必须瞬间排除，否则会发生局部温度剧升
而导致纤维断裂，所以瞬时带走预氧化过程中释放出的反应热是设
备放大和工业生产的关键所在。
除此之外，在预氧化过程中还发生较大的热收缩。一方面是经过
拉伸的原丝，大分子链自然卷曲产生物理收缩。另一方面，大分子
环化过程中产生化学收缩。为了要得到优质碳纤维，继续保持大分
到使用要求。因此，在制备碳纤维工艺流程中都要设置碳纤维表面处理
工序和上浆工序。
表面处理工序主要使碳纤维表面增加含氧官能团和粗糙度，从而增
加纤维和基体之间粘结力，使其复合材料的层间剪切强度提高到80-
120MPa，从而使碳纤维的强度利用率由60%左右提高到80%~90%。
上浆工序的目的是避免碳纤维起毛损伤，所以碳纤维总在在保护胶液中
度和模量都十分高，而垂直于纤维轴向的强度和模量都很低，纤维
高性能碳纤维微观结构与性能关系研究
高性能碳纤维微观结构与性能关系研究高性能碳纤维微观结构与性能关系研究摘要：碳纤维作为一种轻质、高强度和高模量材料，在航空航天、汽车工业、体育器材等领域具有广泛的应用。
本文通过对高性能碳纤维的微观结构与性能之间关系的研究，总结了碳纤维制备过程中的关键因素，并探讨了微观结构对碳纤维力学性能的影响，为碳纤维的设计和应用提供了有益的参考。
1. 引言碳纤维是由碳化纤维组成的复合材料，具有轻质、高强度和高模量的特点。
它由于其优异的性能，被广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材等领域。
碳纤维的性能与其微观结构密切相关，因此，对碳纤维的微观结构与性能之间关系的研究具有重要意义。
2. 碳纤维制备过程的关键因素碳纤维的制备过程包括原料的选择、浸渍、热解等环节。
原料的选择决定了碳纤维的基本性质，例如纤维的直径、取向等。
浸渍过程是将预先制备的纤维浸渍于树脂浆料中，形成预制碳纤维的过程。
浸渍过程的关键因素包括纤维与浆料的相互作用、浆料的粘度、温度等。
热解是将预制碳纤维在高温下进行石墨化反应，形成最终的碳纤维。
热解过程的关键因素主要包括温度、保持时间、气氛等。
3. 微观结构对碳纤维力学性能的影响碳纤维的微观结构包括纤维的形态、取向、孔隙等。
纤维的形态对碳纤维的强度和模量有着重要影响。
一般来说，纤维的直径越小、表面越平滑，强度和模量就越高。
纤维的取向决定了碳纤维的力学性能。
纤维取向一致性越好，强度和模量就越高。
此外，纤维中的孔隙对碳纤维的性能也有影响。
孔隙的存在会降低碳纤维的强度和模量。
4. 碳纤维微观结构与性能关系的研究方法研究碳纤维微观结构与性能关系的方法主要包括微观结构表征和性能测试两方面。
微观结构表征方法包括扫描电子显微镜观察、X射线衍射分析、核磁共振等。
性能测试方法包括拉伸强度测试、模量测试、疲劳性能测试等。
通过这些方法，可以全面了解碳纤维的微观结构和性能。
5. 碳纤维的应用前景随着航空航天、汽车工业和体育器材等领域对轻质高强度材料的需求增加，碳纤维的应用前景十分广阔。
碳纤维材料的力学性能分析
碳纤维材料的力学性能分析碳纤维材料作为一种轻质、高强度的材料，在工程领域中得到了广泛的应用。
为了更好地理解和评估碳纤维材料的力学性能，本文将对其力学性能进行分析。
首先，我们将从碳纤维材料的组成和制备方法入手，介绍其基本特性。
然后，我们将探讨碳纤维材料的力学性能，包括强度、刚度和韧性等方面。
最后，我们将讨论一些与碳纤维材料力学性能相关的应用案例以及未来的发展趋势。
碳纤维材料是由高强度的碳纤维束构成，这些纤维经过高温碳化和图层堆积而成。
由于其独特的结构，碳纤维材料具有轻质、高强度、高刚度等特点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
其制备方法包括纺丝、碳化和热处理等过程，其中纺丝过程的质量控制对于最终碳纤维材料的力学性能至关重要。
碳纤维材料的力学性能是评估其材料强度和刚度的重要指标。
其中，强度主要指材料在受力情况下的抗拉、抗压和剪切能力。
碳纤维材料具有高强度的优势，其抗拉强度甚至可以超过传统金属材料。
这种高强度使得碳纤维材料能够承受更大的力，并在结构上实现重量的减轻。
此外，碳纤维材料还具有优异的刚度，即在材料受力时的变形能力。
这种刚度可保证结构的稳定性和刚性，能够抵御外部振动和冲击。
除了强度和刚度外，碳纤维材料的韧性也是力学性能的重要指标。
韧性反映了材料在受力情况下的塑性变形能力和破坏行为。
碳纤维材料具有较高的韧性，可以经受一定程度的撞击和冲击加载而不发生破坏。
这种韧性使得碳纤维材料在航空航天领域中应用广泛，能够更好地保护飞行器和航天器的安全。
在实际应用中，碳纤维材料的力学性能对于设计和优化结构起着重要的作用。
例如，在汽车领域，采用碳纤维复合材料可以减少车身重量，提高燃油效率和行驶性能。
而在航空航天领域，碳纤维材料的轻质和高强度使得飞机和航天器拥有更高的速度和更远的航程。
未来，碳纤维材料在力学性能方面的发展趋势在于提高其强度、刚度和韧性。
其中，提高碳纤维纤维的质量和纤维束的制备工艺是关键。
此外，将碳纤维材料与其他材料进行复合也是未来的发展方向，以进一步提高结构的力学性能和多功能性。
碳纤维复合材料的表征和力学性能分析
碳纤维复合材料的表征和力学性能分析碳纤维复合材料是一种具有优异力学性能的新材料，其广泛应用于汽车、飞机、火箭等领域。
本文旨在探讨碳纤维复合材料的表征和力学性能分析，以及相关研究领域的发展趋势。
一、碳纤维复合材料的表征（1）纤维型号及组织碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键原料，其型号及组织结构对材料性能有重要影响。
常见的碳纤维型号有T300、T700、M40等，其强度和模量随着型号提高而增加。
同时，碳纤维的组织结构也影响复合材料的性能。
纤维间的排列方式、纤维的分布密度等都会影响材料的力学性能。
（2）基体树脂碳纤维复合材料中的基体树脂也对其性能具有重要影响。
基体树脂一般选择环氧树脂、酚醛树脂等。
不同的基体树脂在温度、湿度等环境下的性能表现有所不同。
因此，对基体树脂进行适当选择很关键。
（3）工艺参数制备碳纤维复合材料的工艺参数也是影响材料性能的关键因素。
工艺参数包括热处理温度、压力、固化时间等。
不同的工艺参数对材料的力学性能、热学性能等产生重要影响。
因此，在制备过程中需要严格控制这些工艺参数。
二、碳纤维复合材料的力学性能分析（1）强度碳纤维复合材料在强度方面表现优异，具有很高的拉伸和压缩强度。
其中，双向编织的 T700 碳纤维复合材料的拉伸强度可达到2000 MPa 以上，压缩强度为1300 MPa 左右。
但碳纤维复合材料的剪切强度相对较低。
（2）刚度碳纤维具有很高的弹性模量，使碳纤维复合材料具有很高的刚度。
在刚度方面，碳纤维复合材料比钢铁、铝合金等传统材料还要高出1-2倍。
这也是碳纤维复合材料应用于飞机等领域的重要原因之一。
（3）耐疲劳性能碳纤维复合材料在疲劳方面表现也非常出色，其疲劳寿命比金属材料长得多。
尤其是在不同的温度、湿度等环境下，碳纤维复合材料的疲劳寿命表现更加稳定。
三、碳纤维复合材料的发展趋势随着全球经济的快速发展，碳纤维复合材料在汽车、飞机、火箭等领域的应用越来越广泛。
未来，碳纤维复合材料的制备技术将会更加成熟，同时优化碳纤维和基体树脂的配比也将成为研究的重点。
碳纤维研究报告
碳纤维研究报告碳纤维是一种轻质高强度的新材料，具有极强的抗拉强度和抗固体颗粒磨损性能。
由于其优异的性能，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
本文通过对碳纤维的研究进行总结和分析，旨在深入了解碳纤维的性能特点及其在不同领域中的应用。
报告内容如下。
首先，我们将碳纤维的性能进行了详细的分析。
碳纤维具有比强度高、刚度大、耐高温、耐腐蚀等特点。
其具有较高的比强度，比钢材强度高5倍以上，比铝合金强度高2倍以上。
同时，碳纤维还具有良好的刚性和耐高温性能，能够承受高温下的荷载。
此外，碳纤维还具有优异的耐腐蚀性能，能够在酸碱等恶劣环境中长期使用。
其次，我们对碳纤维的制备工艺进行了研究。
碳纤维的制备工艺主要包括纺丝、炭化和热处理等环节。
首先，通过高温石墨化将碳纤维前体材料进行热解，形成石墨纤维。
然后，通过碳纤维的拉拔或者喷射纺丝等方法，将石墨纤维进行拉伸，形成高强度的碳纤维。
最后，通过炭化和热处理等工艺，使碳纤维的结晶度增加，从而提高其力学性能。
最后，我们对碳纤维在不同领域中的应用进行了研究。
碳纤维在航空航天领域中有着广泛的应用，用于制造飞机、火箭等载具，可以减小结构重量，提高飞行速度和载重能力。
此外，碳纤维也被广泛应用于汽车制造领域，可以用于制作车身、底盘等部件，提高汽车的安全性能和燃油经济性。
另外，碳纤维还可以用于制造体育器材，如高尔夫球杆、自行车等，提高运动器材的强度和轻量化程度。
综上所述，碳纤维作为一种具有优异性能的新材料，具有广阔的应用前景。
通过深入研究和开发，碳纤维的性能和制备工艺还有很大的提升空间。
相信在未来，碳纤维将会在更多领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
高性能纤维防弹材料的结构及防弹性能分析
高性能纤维防弹材料的结构及防弹性能分析发表时间：2020-10-14T06:29:39.007Z 来源：《防护工程》2020年18期作者：李金鹿张文婷魏汝斌董彬[导读] 为此本文针对高性能纤维作为防弹材料其防弹机理性能以及高性能纤维防弹材料的基本分类与结构进行简要的分析对比。
中国兵器工业集团第五三研究所山东济南 250000摘要：目前，全球大部分的地区都属于和平状态，但是依旧有一些地区仍然会发生区域战争以及恐怖分子袭击等事件，士兵与警员在战争和袭击中受伤的情况也是不可避免要发生的，所以为了减轻士兵与警员在各种战争与恐怖等事件中被子弹击伤的情况，各国都在努力的研究各种防弹材料，给士兵与警官的生命多提供一分保障。
为此本文针对高性能纤维作为防弹材料其防弹机理性能以及高性能纤维防弹材料的基本分类与结构进行简要的分析对比。
关键词：高性能纤维；结构；防弹性能；应用引言：随着全球经济的蓬勃发展，各类高新技术的发展也在不断的提升发展，高性能纤维作为一个新兴行业，其功能属性在非常多的行业中都能应用到，例如汽车、防弹、以及航空等都会出现其身影，其未来的发展潜力是无限的。
其中在防弹的领域中高性能纤维材料的被越来越多的研究人员所普遍应用，高性能纤维材质柔软、韧度高、具有高防护的效果，用其制成的防弹衣与防弹头盔的不仅防护效果是非常好，还舒服柔软。
一、高性能纤维防弹材料的防弹机理与性能在使用的主体材料上划分防弹衣主要分为软体防弹衣、硬体防弹衣以及硬复合型等防弹衣，软体防弹衣的制作主要是由高性能纤维材料组成，其中碳纤维、芳纶纤维以及高强高模的聚乙烯纤维等作为高性能纤维材料被使用的是最普遍的。
在日后对高性能纤维的研究越发深入，聚苯撑苯并恶唑（PBO）纤维以及生物纤维蜘蛛丝等新兴纤维也会在防弹复合领域中投入使用。
软体防弹衣中以高强高模纤维为主要材料，这种防弹衣较为柔软，根据以柔克刚的原理来防御弹头的惯性伤害以及弹头的入侵，高强度纤维织物被子弹击中后，纤维会吸收子弹的冲击波，以此来起到防弹的功能，减少对人体的伤害。
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。
碳纤维的力学性能测试
引言碳纤维增强树脂基复合材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀等诸多优点，因此在航空航天、医疗技术、汽车、能源等领域受到越来越多的关注。
然而，由于碳纤维表面光滑且化学惰性高，碳纤维表面与树脂基体之间的界面附着力较低，从而降低了复合材料的界面结合强度，限制了其在某些领域的应用。
因此，碳纤维是一个热门话题，研究人员一直在对其进行研究，但污染环境和改性条件困难等问题依然存在。
1碳纤维形貌特征通过扫描电子显微镜(SEM)对国产T800碳纤维进行表面形貌观察。
可以看出国产T800级碳纤维表面存在明显的轴向沟槽，这些沟槽是在湿法纺丝工艺条件下原丝成型过程中形成的，说明国产碳纤维也是采用湿法纺丝工艺制备的。
碳纤维的表面形貌图2碳纤维表面化学组成采用X射线光电子能谱仪(XPS)测试两种碳纤维的表面化学组成,如图所示。
国产碳纤维表面不仅有碳元素、氧元素、硅元素，还有少量的氮元素和硫元素。
2.1 拉伸性能测试将试样放在万能试验机的适当位置，固定试样的两端，然后施加缓慢、恒定的载荷，直至试样断裂，试验完成。
试验过程中，当达到最大拉力时，碳纤维管的基体逐渐断裂，失去承载能力；当达到断裂荷载时，基体断裂，碳纤维逐渐被破坏。
测试结果表明碳纤维管具有良好的轴向拉伸强度。
2.2 压缩性能测试截取30mm高的碳纤维管试样，安装好试样，用万能试验机均匀而缓慢地施加载荷。
当达到规定载荷或样品被破坏时，测试终止，并观察和记录样品的破坏情况。
在高压下，碳纤维管样品没有出现分层断裂，基体承受住了主要压力。
因此，碳纤维管样品的抗压性能在很大程度上取决于复合材料基体的强度。
2.3 室温力学性能碳纤维复合材料理论拉伸强度与实际拉伸强度对比图图中复合材料理论拉伸强度值是利用混合定理，通过复合材料纤维体积分数与相应碳纤维的拉伸强度计算得到。
为分析国产碳纤维与树脂间的界面性能，对室温条件下的碳纤维复合材料0°压缩强度、层间剪切强度和90°拉伸强度进行测试。
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. 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国产高性能碳纤维组织结构表征与性能分析
Ｘ Ｄ测试结果及 分别 由 Ｂａｇ 程和 Ｓｈｒ ｒ Ｒ ｒ 方 ｇ ｃｅ ｅ 方 ｒ
程 确 定 的碳 纤 维 石 墨 晶 间 距 ｄ 和 石 墨 叠 层 厚 眦
度 Ｌ。
表 ２ 碳 纤维晶格参数
Ｔ ｂ ｅ２ Ｌ ｔｃ ａａ ｔｒｏ ａｂ ｎｆ ｅ ｙＸＲＤ ｍｅｓ ｒｍｅ ｔ ａ ｌ ａｔ ｅｐ ｒｍｅｅ ｆｃ ｏ ｂ ｒｂ ｉ ｒ ｉ ａ ｕｅ ｎｓ
尺 寸为 ４ ４ ｎ 表明 国产碳纤 维微观结构 比较规 整， ．４ ｍ， 具有与 ０ ｏ相 当的 弹性模 量 ， 但表 面微 晶尺 寸较 大 ， 不利 于纤维 强度 的
提 高。Ｇ Ｆ 面舍 氧官能团舍 量为 ４．５ ， Ｅ 表 ２５ ％ 高于 Ｈ Ａ １１而低 于 ｆ０ ， 以与树 脂基 体形成较强的界面作用。 Ｔ５３， Ｉ ｏ可 ３ 关键词 ：国产碳 纤维 ；表 面形貌 ；组织 结构 ； 学组成 ；性能分析 化
光谱仪 ， 激光器波长为 ５４５ｍ， １．ｎ 分辨率为 ４ｍ～， ｃ 作
用深度为 ｌ ｎ Ｏ ｍ左右。Ｘ Ｓ Ｏ Ｐ 分析使用 Ｐ Ｉ ０ Ｈ５ ０型光 ７
收稿 日 ；２０ － － 期 ０ ６０ ３ ５０ 本文作者还有杨永忠和赵俊青
基金项 目：国家 ８３计划军民两用项 目 （０ ５ Ａ ０ ０ ０ ６ ２ ０ Ａ ３４ １ ）
一
图 １ 不 同碳纤维横截面形貌
Ｆ ｇ １ Ｃ ｏ ｓ ｓ ｃ ｉｎ ｏ ａｂ ｎ ｆ ｅ ｉ ． ｒ ｓ ｅ ｔ ｆｃ ｒ ｏ ｂ ｒ ｏ ｉ
作者简介 ：王明先 （９２） １８ －。男 ． 士研究 生。 硕
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２ ８
国产 高性能碳纤 维组 织结构表征与性能分析
碳纤维的结构与性能.
目
碳 纤 维 结 构
tttl
碳 纤 维 的 特 性
录
1 碳纤维的结构
• 碳纤维由约5-10微米直径的纤维构成
的材料和主要由碳原子的构成。
• 每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤 维所组成，直径大约5至8微米，几乎 全部由碳构成。
前面为直径6微米的碳纤维与后面人类头 发的比较
2
碳纤维结构
在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，是由一层层以六边形模式（石墨烯薄片）排列 的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结的方式。石墨是晶体结构，它的 层间连结松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的这样便防止滑移增强 物质强度
出色的抗热冲击性 热容量小（节能）
比重小（钢的1/5）
优秀的抗腐蚀与辐射性能
5 几种典型的高性能碳纤维
石墨单晶的力学理论值：强度：1.80GPa；模量：1020GPa
THANKS!!!
堆积的石墨片层碳纤维的性能高强度是钢铁的5倍出色的耐热性可以耐受2000以上的高温低热膨胀系数变形量小热容量小节能比重小钢的15优秀的抗腐蚀与辐射性能几种典型的高性能碳纤维石墨单晶的力学理论值
碳纤维的结构与性能 tt
主讲人：关丽涛
1
2
碳 纤 维 的 内 部 结 构
3
4
碳 纤 碳纤维的内部结构
• C:碳纤维内核结构，较低的取 向度 • D：内部缺陷，如孔洞、石墨 片层边缘、石墨片层的不规则 堆积 • G:苯环结构组成的石墨片层
• H:高度有序的表面层
• S:堆积的石墨片层
4 碳纤维的性能
高强度（是钢铁的5倍）
出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
低热膨胀系数(变形量小)
碳纤维材料的制备与性能分析
碳纤维材料的制备与性能分析碳纤维材料是一种具有优异性能的高强度材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
本文将探讨碳纤维材料的制备方法以及其性能分析。
一、碳纤维材料的制备方法碳纤维的制备主要分为三个步骤：前驱体制备、炭化和热处理。
前驱体制备是碳纤维制备的关键步骤之一。
常用的前驱体包括聚丙烯腈（PAN）、天然纤维和煤焦油等。
其中，PAN是最常用的前驱体，因为它具有较高的纯度和较好的纤维形态。
PAN经过纺丝、拉伸和定向等工艺，形成初步的纤维结构。
炭化是将前驱体中的非碳元素去除，使其转变为纯碳的过程。
炭化一般在高温下进行，常用的炭化温度为1000℃-3000℃。
通过炭化，纤维中的非碳元素会逐渐脱除，同时纤维的结构也会发生变化，形成更加有序的碳纤维结构。
热处理是在炭化基础上对碳纤维进行进一步处理，以提高其性能。
热处理可以改善碳纤维的结晶度、强度和导电性能等。
常用的热处理方法包括高温热处理和表面处理等。
二、碳纤维材料的性能分析碳纤维具有许多优异的性能，主要包括高强度、低密度、优良的导电性和化学稳定性等。
高强度是碳纤维的重要特点之一。
由于其具有纤维结构，碳纤维能够承受较大的拉伸力，其强度一般在2000-7000 MPa之间。
这使得碳纤维成为一种理想的结构材料，可以用于制造轻量化的产品。
低密度是碳纤维的另一个显著特点。
碳纤维的密度通常在1.5-2.0 g/cm³之间，相比于金属材料来说较低。
这使得碳纤维制成的产品具有较轻的重量，可以减少整体结构的负荷。
碳纤维具有优良的导电性能，这使得它在电子领域有广泛的应用。
碳纤维可以作为电极材料、导电纤维等。
同时，碳纤维还具有较好的热导性能，可以用于制造散热器等产品。
化学稳定性是碳纤维的重要特点之一。
碳纤维在常温下具有较好的耐腐蚀性，可以在酸、碱等腐蚀介质中长期使用。
这使得碳纤维在化工、海洋等领域有广泛的应用。
三、碳纤维材料的应用前景碳纤维作为一种优异性能的材料，具有广阔的应用前景。
碳纤维增强复合材料的结构设计和性能研究
碳纤维增强复合材料的结构设计和性能研究碳纤维增强复合材料是一种轻量化、高强度、高刚度的新型材料，已经广泛应用于航空、航天、汽车、体育用品等领域。
本文将着重讨论碳纤维增强复合材料的结构设计和性能研究。
一、碳纤维增强复合材料的结构设计结构设计是碳纤维增强复合材料应用领域中至关重要的一环。
在碳纤维增强复合材料的设计中，一般需要考虑以下几个因素：1.纤维方向在复合材料中，碳纤维是承载力的主要成分，因此纤维方向对材料的性能影响极大。
一般情况下，纤维方向应与所受力的方向一致，从而最大化材料的强度和刚度。
2.纤维体积分数纤维体积分数指纤维在复合材料中所占的体积比例。
一般来说，纤维体积分数越高，复合材料的强度和刚度越高。
但是，在实际应用中，纤维体积分数过高会导致复合材料的成本增加、加工难度增大等问题。
3.纤维长度纤维长度是指碳纤维的长度。
在碳纤维增强复合材料的设计中，纤维长度不仅影响材料的强度和刚度，还会影响材料的加工难度和成本。
4.界面处理碳纤维和基体之间的界面是影响复合材料性能的重要因素之一。
在界面处理中，常用的方法包括化学表面处理、物理表面处理和界面增强。
二、碳纤维增强复合材料的性能研究碳纤维增强复合材料具有优异的性能，但是在实际应用中，其性能受到多种因素的影响，需要进行深入研究和分析。
1.力学性能力学性能是碳纤维增强复合材料的重要性能之一，包括弹性模量、屈服强度、拉伸强度等指标。
在碳纤维增强复合材料的力学性能研究中，常用的测试方法包括拉伸试验、弯曲试验、压缩试验等。
2.热性能热性能是碳纤维增强复合材料的重要性能之一，包括耐高温性、导热性等指标。
在碳纤维增强复合材料的热性能研究中，常用的测试方法包括热膨胀试验、热导率试验等。
3.耐腐蚀性能碳纤维增强复合材料的耐腐蚀性能是其在某些特殊环境下应用的重要性能之一。
在碳纤维增强复合材料的耐腐蚀性能研究中，常用的测试方法包括环境试验、电化学测试等。
4.疲劳性能碳纤维增强复合材料在使用过程中会受到多次往复负载作用，因此疲劳性能是其应用领域中的重要性能之一。
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T300级碳纤维二维纺织结构复合材料的力学性能研究
０ 引言
二维编织复合材料是通过二维编织技术，先 将纤维束直接编织成所需的各种变截面的不规则 预成型体，然后以预成型体作为增强材料进行浸 胶固化而直接形成复合材料结构。二维编织过程 的机械化能够很大程度上降低复合材料制件的生 产时间，提高生产效率。另外，二维编织能适用 于多种成型工艺，从而使这些复杂制件的生产过 程变得 更 加 简 单 易 行， 在 提 高 生 产 效 率 的 同 时， 能够一定程度上降低生产成本，因此二维编织复 合材料结构制品倍受关注［１］。二维编织复合材料 已被 应 用 于 航 空 航 天、 汽 车、 体 育 休 闲 等 领 域 ［２－５］，随着编 织 结 构 复 合 材 料 加 工 技 术 与 设 备 的进一步发展，其应用领域将越来越宽广。但目 前使用国产碳纤维制作二维编织预成型体的情况 仍不常见，其力学性能仍需进行探究［６－１２］。
关键词：二维编织；机织物；层合复合材料；力学性能 中图分类号：ＴＱ３４２＋７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－９８１５（２０１９）０４－００４６－０６
ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ２Ｄ ＢｒａｉｄｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＰｒｏｄｕｃｅｄｂｙＤｏｍｅｓｔｉｃＴ３００ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ
分析研究 ＡｎａｌｙｔｉｃＳｔｕｄｙ
国产 Ｔ３００级碳纤维二维纺织结构 复合材料的力学性能研究
王怡敏，燕春云，王永利 （江苏神股份有限公司 江苏 丹阳 ２１２３００）
摘 要：为研究国产碳纤维二维编织复合材料的力学性能，本文分别对国产碳纤维二维编织物、经 编织物、机织物增强复合材料进行分析，在表征国产碳纤维二维编织结构复合材料力学性能的同时，比 较二维编织结构复合材料与经编织物、机织物结构复合材料的力学性能优劣。结果表明，对二维编织织 物的定型处理能减少纤维间的滑动，保证织物结构；四种织物增强复合材料结构均较为均匀，成型质量 良好；经编织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度最大，１２Ｋ机织物、二维编织物和 ３Ｋ机织物增强环 氧树脂基复合材料的拉伸强度相近，比经编织物增强复合材料强度低约 １５％；经编织物、３Ｋ机织物增强 复合材料的压缩强度相近且较高，１２Ｋ机织物、二维编织增强复合材料的压缩强度低约 ３０％；经编织物 增强复合材料的弯曲强度最高，３Ｋ机织物次之，二维编织物和 １２Ｋ机织物相对较差。四种复合材料的弯 曲模量相接近，最大相差约 １０％；３Ｋ机织物的剪切强度约为其他织物的 ２倍。