兩種國產T800 級碳纖維界面狀態及復合材料力學性能研究

王涵 周洪飛 張路 李是卓

摘 要 研究了兩種國產T800級碳纖維界面狀態及復合材料力學性能，結果表明，與B類纖維相比，A類纖維表面形貌粗糙度高約23%、O/C含量高約7.4%、活性C含量高約20%，微觀剪切強度高約10%，A類纖維增強的復合材料沖擊后壓縮強度比B類纖維高約8%。A類纖維與樹脂形成更好的化學與物理結合，界面結合作用較好。

關鍵詞 T800級碳纖維；界面；表面活性；力學性能

Study on the Interface State of Different Domestic T800

Carbon Fibers and the Mechanical Properties of Composites

WANG Han， ZHOU Hongfei， ZHANG Lu， LI Shizhuo

（AVIC Composites Co.， Ltd.， Beijing 100000）

ABSTRACT The interface state and mechanical properties of two kinds of domestic T800 carbon 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 T800 carbon fiber；interface；surface activity；mechanical properties

項目支持：國家重點研發計劃資助（2022YFB3709100）

通訊作者：周洪飛，男，研究員。研究方向為先進樹脂基復合材料。E-mail：wanghan6583@163.com

1 引言

碳纖維復合材料是由增強體碳纖維和基體樹脂復合而成，具有明顯優于原組分性能的一類新型材料［1］，具有較高的比強度、高比模量和優異的耐腐蝕的性能，被廣泛的應用于航空、船舶、航天等領域。在碳纖維復合材料里，碳纖維起到增強作用，承接作用力和傳遞載荷，樹脂作為基體通過界面作用將載荷傳遞到纖維。因此當復合材料受到外力作用時，界面起到傳遞載荷的作用就顯得尤為重要，界面的性質和狀態直接影響復合材料的綜合力學性能［2］，是影響復合材料力學性能的關鍵點，也是近期國內外學者研究的熱點之一。

碳纖維增強樹脂基復合材料的界面不是特指增強體纖維和基體樹脂之間的單純幾何層，而是泛指纖維與樹脂之間的包括幾何層在內的界面層［3］。在該結構層內，增強體纖維與基體樹脂的微觀結構與性質都存在不同程度的差異，這不僅取決于纖維與樹脂的結構和性質，還受到復合材料固化工藝、成型工藝等其他因素影響，如碳纖維在出廠前會進行上漿處理，上漿劑的濃度、厚度及種類都會大大影響纖維與樹脂的界面結合。

目前國內外學者對纖維與樹脂的界面結合提出幾種理論，如化學鍵結合理論、機械嚙合理論、樹脂浸潤理論等［4］。經過大量的實驗研究，結果表明，纖維與樹脂的界面結合不是由某一種理論完全解釋的，這是多種作用相互協調、共同作用的結果［5］。Thomsomn等人［6］通過對比多種纖維與多種樹脂的界面結合實驗，認為纖維與樹脂復合使得纖維表面的分子鏈活動受到限制，根據界面浸潤理論，纖維經過樹脂浸潤后，纖維選擇性吸收樹脂組分，而后表面形成一層具有剛性結構的界面層，當纖維增強復合材料經過一定溫度、壓力條件下固化成型后，界面層會變得非常復雜，界面層顯得更加尤為重要［7］。而化學鍵理論認為，纖維與樹脂結合的過程中，主要是范德華力起主導作用［8］。

目前對于纖維與樹脂的界面表征主要包括纖維微觀結構、纖維表面活性以及纖維與樹脂的界面結合強度。纖維微觀結構可以通過掃描電鏡、原子力纖維鏡等手段實現，纖維表面活性可以通過IGC直接測得纖維活化能，也可以通過間接方式XPS對纖維表面元素及官能團表征計算，從而間接獲得纖維活化能；或者通過接觸角實驗，纖維與不同極性和非極性溶劑接觸，通過接觸力衡量纖維表面活性。纖維與樹脂的界面結合強度主要有微脫粘實驗和復合材料層間剪切強度，前者是單絲級別，后者是宏觀力學級別，數據可靠度都很高，也是目前國內外大量學者常用的表征纖維與樹脂界面的方式。

本文首先通過觀察纖維表面形貌、測試纖維表面原子含量和纖維與樹脂微觀結合力，對比兩種國產T800級碳纖維界面狀態，并制備了復合材料層合板，目的為國產T800 級碳纖維應用及其增強的復合材料界面性能研究提供一定的數據支撐和參考意義。

2 實驗材料及方法

2.1 原材料

實驗采用兩種同級別但不同界面的國產A類碳纖維和B類碳纖維，兩種纖維的具體信息如表1所示，實驗所用樹脂為某國產高性能高溫環氧類樹脂。

2.2 試樣制備

2.2.1 碳纖維去上漿劑

碳纖維在出廠前會在表面涂刷一層上漿劑，目的減少纖維在后續使用過程中造成的磨損、打結和并絲現象發生，提高纖維集束性，增加纖維與樹脂的浸潤性，保護纖維［9］。為了更加直觀清晰的觀察和研究碳纖維本征性能與碳纖維增強樹脂基復合材料界面之間的關系，需要對已經上過漿的碳纖維進行去劑。本實驗按照國標中索式萃取試驗方法對兩種不同界面的國產 T800 級A類碳纖維和B類碳纖維進行去劑處理。首先將一定長度的碳纖維放置在溫度23±2 ℃、相對濕度50±10%的標準環境下調濕6 h以上，將調濕后的碳纖維放置于索氏提取器中，并加入足量的丙酮以確?；亓餮h，調節加熱爐功率，使索氏提取器2 h至少完成8次循環，而后萃取36 h，關掉加熱爐。經過一定時間萃取后的碳纖維從索氏提取器中取出，冷卻10 min，放置于105±5 ℃的鼓風烘箱內干燥5 h，最后再放入干燥器中進行冷卻，溫度降至室溫即可。

2.2.2 微脫粘制樣制備

將單根碳纖維（單絲）從碳纖維試樣絲束中分離出來，將其拉直并粘貼在回型支架上，如圖1所示，高性能高溫環氧類樹脂在烘箱內50 ℃保溫30 min，再與二氯乙烷10∶1的比例配制樹脂液，并迅速攪拌均勻，將配制好的樹脂液常溫下在真空烘箱里抽真空20 min，取出樹脂，用大頭針蘸取少量配制好的樹脂液，輕涂抹于碳纖維單絲上，將試樣放于鼓風烘箱里在 130 ℃下固化30 min。

2.3 測試與表征

使用Quanta 450FEG場發射掃描電子顯微鏡（SEM）兩種不用界面的T800級碳纖維表面形貌。將一束碳纖維用手術刀平齊切斷，分別用導電膠帶將平齊切斷的碳纖維垂直粘貼在鋁制載物臺上，對粘在導電膠上的纖維表面噴金，經過兩次噴金后放入SEM內觀察，電子加速電壓為 20～50 kV，束流1pA，放大倍數50～8000X。

采用Dimension ICON原子力顯微鏡（AFM） 觀察碳纖維三維立體形貌，通過探針針尖與樣品微弱作用力獲取纖維表面粗糙度，掃描面積為5 μm×5 μm， 掃描頻率為 1.0 Hz。

采用X射線光電子能譜儀（美國ThermoFischer，ESCALAB 250Xi）測試碳纖維表面元素組成及化學官能團，分析室真空度8×10-10 Pa，激發源采用Al ka射線（hv=1486.6 eV），工作電壓 12.5 kV，燈絲電流16 mA，進行5～10次循環的信號累加。

通過微脫粘試驗測試纖維與樹脂的微觀剪切性能。將帶有已經固化好的尺寸均勻且正圓的樹脂小球碳纖維固定在微脫粘儀器上，移動卡刀，使其將其中一個樹脂小球從左右兩側卡住，移動回形架使得纖維勻速自下而上移動，直至卡刀恰好將樹脂小球剝落，此時儀器會記錄纖維與樹脂小球分離瞬間的最大結合力，如何計算纖維與樹脂的微觀界面結合強度如公式（1）所示。

IFSS=FmaxΠDL（1）

式中，IFSS為纖維與樹脂微觀界面剪切強度；

F為樹脂與纖維剝離時的最大剪切力；

L為纖維邁入樹脂球的長度。

碳纖維增強樹脂基復合材料力學性能在 Intron 公司的 Instro5967萬能力學試驗機上進行。復合材料沖擊后壓縮強度按照ASTMD7137開展。

3 結果與討論

3.1 碳纖維表面形貌

兩種不同界面的國產T800纖維去除上漿劑后的表面形貌SEM如圖 2所示，由圖A（a）和A（b）看出未上漿的A類碳纖維表面整體光滑，但具有相對明顯的沿著軸向排列均勻分布的較淺溝槽，由A（c）可看出，纖維截面致密，形狀呈正圓形，具有明顯的干噴濕紡紡絲工藝特征，干噴濕紡工藝生產的碳纖維兼具了拉伸強度和機械嚙合的優勢［10］。與A類纖維相比，B類纖維表面明顯溝槽更淺，根據界面機械嚙合理論，纖維表面溝槽的數量越小、深度越淺，纖維與樹脂的界面結合面積越小，界面結合強度越弱。

為了進一步對比兩種碳纖維界面狀態，采用AFM對其觀察三維立體形貌，如圖3所示，由圖3可以看出，A、B類纖維表面存在明顯的沿著纖維軸向排列的深淺不一溝槽，但A類溝槽深度更深，數量更多，對兩類碳纖維隨機抽取三個試樣進行粗糙度測試，數據如表 2 所示，A類纖維平均粗糙度要高于B類纖維約23%，根據界面機械嚙合理論，纖維表面積越大，粗糙度越高，纖維與樹脂結合越牢固。

3.2 碳纖維表面元素及含氧官能團

通過XPS表征測試兩種碳纖維表面化學特性，如圖4所示，對XPS圖譜分峰處理，纖維表面主要存在 C、O、Si、N四種元素，纖維表面原子含量具體如表3所示，數據顯示A類纖維O/C含量略高于B類，約7.4%。而經過陽極氧化處理過的碳纖維表面O含量越高，表面活性越高，纖維與樹脂的界面結合越牢固。

利用 C1s 電子 XPS 窄掃描， 并對測試后的 C1s 圖譜進行分峰處理，分峰圖如圖5所示，碳纖維含C官能團具體含量如表4所示，其中C-O、C=O為活性C，C-C為非活性C，活性C占比越高，纖維表面活性越高，整體來看，與B類纖維相比，A類纖維表面原子中活性C含量更高，即其表面活性更高，根據界面化學鍵結合理論，這意味著A類碳纖維與樹脂的界面結合強度較高。

3.3 單纖維/樹脂微脫粘

采用微脫粘法從微觀角度測試兩種不同界面的T800級碳纖維與樹脂的界面結合作用，具體數據如表5所示，數據顯示A類纖維與高性能環氧樹脂的界面剪切力高于B類纖維約10%，即A類纖維與該樹脂界面結合作用更強。

3.4 復合材料宏觀力學性能

制備A、B類纖維增強復合材料層合板，并按照ASTM D7137（6.67 J/mm）進行沖擊后壓縮強度測試，測試結果如表6所示，表中數據顯示兩類纖維增強樹脂基復合材料均具有較高的沖擊后壓縮強度，但相比與B類纖維，A類纖維增強樹脂基復合材料沖擊后壓縮強度要高于B類約8%，這可能歸功于A類纖維與樹脂的界面結合牢固所致。

4 結語

實驗選取了兩種不同界面的國產T800級碳纖維及復合材料力學性能，通過對其界面狀態和復合材料力學研究，結果表明，相同級別的T800級國產碳纖維，A類纖維表面形貌粗糙度高于B類約23%、O/C含量高約7.4%、活性C含量高約20%，微觀剪切強度高約10%。A類纖維增強的復合材料沖擊后壓縮強度比B類纖維高約8%。即A類纖維與樹脂形成更好的化學與物理結合，界面結合作用較好。

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