不同上浆碳纤维表面状态对其缠绕复合材料性能的影响

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聚丙烯腈碳纤维（PANCF）因具有高比强度，高比模量，质轻，耐腐蚀，耐高温等优异性能，用其制备的复合材料广泛应用于航空、航天、风力发电等领域，其中碳纤维增强树脂基复合材料应用最为广泛。研究表明：碳纤维树脂基复合材料的性能不仅取决于纤维和树脂基体本身，只有纤维与树脂间界面性能良好的情况下，外界载荷才能通过树脂有效传递到碳纤维，使碳纤维的力学性能得到充分发挥。碳纤维表面为结晶度较高的类石墨结构，表面碳原子化学稳定，使得碳纤维的表面显惰性，不利于碳纤维与树脂基体的浸润和形成合适的界面粘接。为提高碳纤维表面活性，上浆是碳纤维表面处理的常用方法，而且上浆剂还可以明显改善碳纤维的工艺加工性能。 针对不同的树脂基体和复合材料成型工艺，应选择不同的上浆处理条件使纤维与树脂基体形成良好的界面匹配。碳纤维复合材料的制备工艺方法有很多，其中缠绕成型已经被认为是低成本制造高性能碳纤维复合材料的首选方法之一。为配合国产碳纤维产业化应用研究，选择缠绕成型工艺制备碳纤维复合材料，并以该工艺中常用的环氧树脂为树脂基体，考察上浆剂对碳纤维的工艺加工性能和表界面性质的影响。 本课题选用涂覆A、B两种不同上浆剂的国产T700级碳纤维为研究对象，以日本东丽T700S碳纤维为参比对象。利用SEM、AFM、FTIR，XPS等仪器分析了上浆剂对碳纤维表面状态的影响，并通过考察缠绕成型复合材料90°横向拉伸强度研究了碳纤维表面状态对其复合材料界面粘接性能的影响。得到的主要结论和观点如下： 1. 上浆量的增加有利于碳纤维毛丝量的减少，增加丝束的集束性，因此可以提高碳纤维的干纱拉伸性能，从而减少大张力缠绕过程中对碳纤维的损伤。ZT7H-B与ZT7H-A的相比，悬垂值较小，即柔软度更高，且随上浆量增加，纤维的悬垂值没有明显的增加，这可能与上浆剂B中含有较多的醚键有关。 2．国产碳纤维原丝主要采用湿法工艺，因此碳纤维表面存在沿纤维轴向分 布的沟槽。而日本东丽公司的T700S采用的是干喷湿纺工艺，碳纤维的表面光滑。因此国产碳纤维更利于和树脂基体形成机械啮合，增强界面粘接强度。 3. 三种碳纤维上浆剂主要成分都为双酚A类环氧树脂，但各自含有活性官能团比例却不同。上浆剂直接影响碳纤维的表面化学活性，从而影响纤维与树脂的界面粘接。 4. 碳纤维表面物理形貌和化学状态均会对纤维与树脂的粘合作用产生影响，国产碳纤维ZT7H-B表面沟槽明显，平均粗糙度大，且羟基、羰基、羧基等含氧活性表面官能团含量高。物理和化学双重作用促进了纤维与树脂的界面粘接，使得其复合材料的横向拉伸强度在三种碳纤维中最高。 5. 表面光滑的日本东丽T700S复合材料横向拉伸强度高于表面粗糙的国产碳纤维ZT7H-A，结合XPS分析结果得知T700S表面化学活性大于ZT7H-A，这说明在界面粘接中碳纤维与树脂的化学键合起主导作用。