李陽，肇研，*，劉剛，李書鄉(xiāng)，李龍，李燁

1.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

2.北京航空材料研究院 先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095

3.威海拓展纖維有限公司，山東 威海 264209

“每個(gè)國(guó)家都想要一個(gè)碳纖維廠”，美國(guó)ATJ咨詢公司顧問托尼·羅伯茨的這番話道出了當(dāng)今世界碳纖維產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。目前世界范圍內(nèi)碳纖維制造商主要有日本東麗公司、美國(guó)Zoltek公司、日本東邦公司、日本三菱公司、中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)塑公司、德國(guó)SGL公司和美國(guó)Hexcel公司。中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，到目前為止，中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)一方面緊緊圍繞航空領(lǐng)域，主要針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)研究復(fù)合材料以擺脫國(guó)外對(duì)中國(guó)禁運(yùn)的現(xiàn)狀；另一方面開始重視工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的低成本碳纖維，以期從經(jīng)濟(jì)角度打開應(yīng)用市場(chǎng)，拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。CCF300碳纖維作為中國(guó)自主開發(fā)研制的高性能碳纖維，絲束大小為6 k或更高，性能與日本東麗公司生產(chǎn)的T300級(jí)碳纖維十分接近，在國(guó)內(nèi)形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。因此，開展國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的性能表征和研究有著重要意義。

碳纖維NCF織物是采用縫線將多層單向纖維層按指定的角度縫合起來形成的一種碳纖維增強(qiáng)體，紗線的卷曲程度很小、增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、對(duì)纖維的約束性好，并具有良好的鋪覆性和預(yù)成型性，已應(yīng)用于航空航天、船舶游艇、風(fēng)機(jī)葉片和汽車制造等眾多領(lǐng)域［5-7］。目前世界范圍內(nèi)碳纖維NCF織物制造商以美國(guó)Hexcel公司、德國(guó)Saertex公司和美國(guó)Milliken公司為首，其產(chǎn)品多為T700級(jí)碳纖維NCF織物，歐洲從2001年開始啟動(dòng)了FALCOM和TECABS兩個(gè)項(xiàng)目，分別研究NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料在航空和汽車工業(yè)上的應(yīng)用。目前國(guó)外針對(duì)當(dāng)前世界主流產(chǎn)品T700級(jí)NCF織物及其增強(qiáng)復(fù)合材料的性能表征技術(shù)已經(jīng)較為成熟，Hivet［8］和Lo-mov［9-10］等采用畫框剪切、雙軸拉伸以及織物3D鋪覆等試驗(yàn)方法，對(duì)多軸向NCF織物的變形性進(jìn) 行 了 系 統(tǒng) 表 征 與 研 究；Mattsson［11］、Lomov［12］、Truong［13］以 及 Vallons［14］等 對(duì) NCF 織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征，研究了編織方式對(duì)織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的 影 響；Truong［15］、Thije［16］、Bel［17］、Creech 和Pickett［18］、Peng和 Cao［19］以及 Yu［20-21］等分別建立了NCF織物畫框剪切、偏軸拉伸以及3D鋪覆的有限元模型，對(duì)NCF織物在變形試驗(yàn)中的變形機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究；Mattsson［22］同時(shí)建立了NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷的針織模型，研究了復(fù)合材料的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律。國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維NCF織物的性能表征研究起步較晚，報(bào)道中僅是關(guān)于NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究［23］。本課題組對(duì) CCF300、T300和T700級(jí)碳纖維NCF織物特性的表征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。韓帥［24］以及李龍［25-26］等通過對(duì)鏈?zhǔn)娇p編、經(jīng)平縫編以及無經(jīng)編線3種不同針織方式碳纖維NCF織物結(jié)構(gòu)的分析和彎曲性能測(cè)試，研究了織物針織方式對(duì)NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響；祝君軍等［27］研究了真空輔助樹脂注射（VARI）工藝中含定型劑織物的定型參數(shù)對(duì)織物壓縮特性、滲透特性及其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，同時(shí)確定了織物最優(yōu)的定型參數(shù)；Dong等［28］系統(tǒng)分析了不同材料經(jīng)編線的物理和化學(xué)性能，并研究了NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料的耐濕熱老化性能。

本文緊緊圍繞國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維及其NCF織物，采用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和X射線光電子能譜表征了CCF300碳纖維的表面物化特性，研究了其表面處理工藝及其樹脂基復(fù)合材料的界面性能；通過畫框剪切和偏軸拉伸試驗(yàn)方法研究了CCF300 45°/-45°和CCF300 0°/90°兩種碳纖維NCF織物的面內(nèi)變形性能；采用半球鋪覆試驗(yàn)研究了CCF300碳纖維NCF織物的鋪覆性；采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝分別制備了兩種CCF300碳纖維NCF織物準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料層合板，測(cè)試其力學(xué)性能并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，與CCF300-U3160單向織物增強(qiáng)準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料層合板力學(xué)性能作對(duì)比，系統(tǒng)分析了國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維NCF織物取代單向織物等傳統(tǒng)預(yù)成型體的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維及兩種CCF300碳纖維NCF織物由威海拓展纖維有限公司提供。碳纖維絲束大小為6 k，織物單層面密度為166 g/m2，其他相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。圖1為兩種碳纖維NCF織物的照片，織物表面平整，無毛絲、斷絲等缺陷，編織工藝較好。

表1 原材料性能參數(shù)Table 1 Property parameters of raw materials

圖1 CCF300-B 1和CCF300-B 2碳纖維NCF織物照片F(xiàn)ig.1 Pictures of carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 1 and CCF300-B 2

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 CCF300碳纖維性能表征

1）掃描電鏡

采用ZEISS SUPRA 55VP型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的二次電子像對(duì)國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的表面形貌進(jìn)行研究［29］，加速電壓為20 k V。觀察碳纖維在5 000倍放大倍數(shù)下的表面形貌圖、溝槽和凸起等信息。

2）原子力顯微鏡

利用VEECO公司的Veeco D3000型原子力顯微鏡微探針掃描碳纖維表面并用Nano Scope軟件分析國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的表面三維形貌圖和表面粗糙度數(shù)據(jù)［30］。測(cè)試模式為輕敲模式，懸臂的彈性常數(shù)為32 N/m，掃描面積為3μm×3μm。

3）X射線光電子能譜分析

采用Thermo VG ESCALAB250型X射線光電子能譜儀對(duì)國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的表面化學(xué)成分進(jìn)行分析，運(yùn)用XPS-peak軟件進(jìn)行曲線分峰，獲得國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面含氧官能團(tuán)種類和所占比例［31］。

1.2.2 CCF300碳纖維NCF織物性能表征

對(duì)CCF300-B1和CCF300-B2兩種碳纖維NCF織物進(jìn)行織物變形性能表征，試驗(yàn)表征方法如下。

1）畫框剪切試驗(yàn)

采用Instron 5967萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)CCF300-B1碳纖維NCF織物在0°或90°方向加載，對(duì)CCF300-B2碳纖維NCF織物在45°方向加載，纖維束平行于邊框。十字形試樣邊長(zhǎng)為210 mm×210 mm，預(yù)加張力為0.014 N/mm，加載速率為20 mm/min，進(jìn)行3次循環(huán)試驗(yàn)，記錄載荷-位移曲線并得到剪切力T-剪切角γ關(guān)系以評(píng)定織物的變形能力。

2）偏軸拉伸試驗(yàn)

采用Instron 5967萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)CCF300-B1和CCF300-B2兩種碳纖維NCF織物沿與纖維方向夾角45°方向向上拉伸。試樣尺寸為225 mm×90 mm，加載速率為20 mm/min，記錄載荷-位移曲線并得到剪切力T-剪切角γ關(guān)系以評(píng)定織物的變形能力。

3）半球鋪覆試驗(yàn)

采用自制的半球鋪覆試驗(yàn)機(jī)對(duì)CCF300-B1和CCF300-B2兩種碳纖維NCF織物的鋪覆能力進(jìn)行了研究。半球形模具直徑為150 mm，壓邊環(huán)內(nèi)徑為156 mm、外徑為216 mm，織物受到的壓緊力為3.34 k Pa，采用量角器測(cè)量不同經(jīng)、緯度交織處纖維的剪切角并繪制剪切角隨經(jīng)度和緯度的變化曲線。

1.3 碳纖維NCF織物/雙馬來亞酰胺復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

分別將CCF300-B1和CCF300-B2碳纖維NCF織物按照［0°/90°/45°/-45°］2s方式進(jìn)行準(zhǔn)各向同性鋪層，采用RTM工藝，雙馬來亞酰胺樹脂在180℃下固化4 h，220℃下后處理2 h，制備碳纖維NCF織物/雙馬來亞酰胺復(fù)合材料，測(cè)試其力學(xué)性能，測(cè)試內(nèi)容包括0°方向拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切性能測(cè)試，力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Test standards for mechanical properties of composites

2 結(jié)果與討論

2.1 國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面物化特性表征

2.1.1 表面形貌

圖2為國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的表面SEM照片，可知，國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面沿纖維縱向分布有較多溝槽，與T300碳纖維相似［36］，這種纖維表面的起伏會(huì)增加纖維/樹脂體系的機(jī)械嚙合作用，提高其與樹脂基體的界面粘結(jié)性，有助于液體成型過程中預(yù)成型體浸漬性的提高［37-39］。

圖2 CCF300碳纖維表面SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM picture on surface of CCF300 carbon fiber

2.1.2 表面粗糙度

圖3為國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的表面三維形貌圖，可知，國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面沿纖維縱向溝槽數(shù)量較多，與SEM的結(jié)果一致。采用Nano Scope軟件分析得到國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面粗糙度為19.6 nm，較高的表面粗糙度與SEM結(jié)果一致。

圖3 CCF300碳纖維表面三維形貌圖Fig.3 3D morphology picture on surface of CCF300 carbon fiber

2.1.3 表面化學(xué)特性

采用XPS研究國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面元素及其含量，結(jié)果如表3所示，其中，B.E.為Binding Energy，代表峰位置；P.C.為Percent Content，表示元素含量?？芍瑖?guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的氧碳原子數(shù)之比（N（O）/N（C））高達(dá)0.25，說明國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面物化活性較高。

采用XPS-peak軟件對(duì)國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的C1s窄譜進(jìn)行分峰處理，分峰結(jié)果如圖4所示，對(duì)應(yīng)官能團(tuán)含量如表4所示?？煽闯?，國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面含氧活性官能團(tuán)（-C-O、-C=O等）所占比例較高，達(dá)到了25.89%左右。碳纖維表面化學(xué)活性直接影響到碳纖維與樹脂間的界面結(jié)合，特別是與樹脂之間的化學(xué)鍵合作用。因此，國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維良好的表面化學(xué)活性有助于其與樹脂界面體系的良好化學(xué)鍵合，從而有助于國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維與樹脂之間良好的界面粘結(jié)［40］。

圖4 CCF300碳纖維表面C1s譜分峰Fig.4 C1s spectrum peak on surface of CCF300 carbon fiber

表3 CCF300碳纖維表面元素組成Table 3 Composition of surface element of CCF300 carbon fiber

表4 CCF300碳纖維表面官能團(tuán)及其含量Table 4 Surface functional groups of CCF300 carbon fiber and their contents

2.2 CCF300碳纖維NCF織物性能表征

2.2.1 畫框剪切試驗(yàn)結(jié)果

CCF300-B1和CCF300-B2碳纖維NCF織物的畫框剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，CCF300-B1碳纖維NCF織物沿0°方向和90°方向進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)一開始，織物剪切力就明顯上升，纖維束的拉伸模量比織物的剪切模量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，當(dāng)進(jìn)行剪切變形時(shí)，若有較多纖維束受到拉伸作用，則測(cè)量出的剪切力會(huì)明顯偏大。

在畫框剪切試驗(yàn)中，微小的裝樣誤差，如纖維不平行于邊框，使纖維受到彎曲或拉伸作用，則可能導(dǎo)致織物在剪切過程中不能出現(xiàn)純剪切變形過程，這將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)明顯異?；蚍稚⑿栽龃蟆?duì)CCF300-B1碳纖維NCF織物原材料中50處纖維與經(jīng)編線夾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。正面纖維束與經(jīng)編線的夾角保持較好，而反面纖維束與經(jīng)編線角度夾角多分布在42°～43°范圍內(nèi)，甚至更小，這說明反面纖維束與經(jīng)編線夾角與設(shè)計(jì)要求值存在一定差別。這種編織偏差使織物中纖維束在剪切變形過程中受到明顯大于剪切力的彎曲和拉伸的作用力，從而不能反映織物的純剪切變形行為。

由圖5（c）可以看出，CCF300-B2碳纖維NCF織物沿45°方向剪切變形的初始階段，剪切力來源于纖維束的摩擦力和纖維束與經(jīng)編線的摩擦力，因此初始階段剪切力也較小，上升緩慢；當(dāng)纖維束間隙逐漸被填充，纖維束開始受到擠壓作用，剪切開始迅速增大；在剪切過程最后階段，纖維束間隙幾乎全部被填充，纖維束間的擠壓作用使剪切力處于較高水平，當(dāng)纖維束過度擠壓時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。

圖5 CCF300-B 1和CCF300-B 2碳纖維NCF織物畫框剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of picture frame shear tests for carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 1 and CCF300-B 2

由以上分析可以看出，CCF300-B2碳纖維NCF織物纖維取向偏差較小，畫框剪切試驗(yàn)曲線規(guī)律性強(qiáng)，與國(guó)外T700碳纖維NCF織物相似［19］；CCF300-B1碳纖維 NCF織物因纖維取向偏差出現(xiàn)了曲線異常，但仍可通過畫框剪切試驗(yàn)的一般規(guī)律分析得出其異常原因。CCF300-B2碳纖維NCF織物的編織工藝穩(wěn)定性優(yōu)于CCF300-B1碳纖維NCF織物。

圖6 CCF300-B 1碳纖維NCF織物中纖維角度統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics results of fiber angle in carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 1

2.2.2 偏軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

偏軸拉伸試驗(yàn)不同于畫框剪切試驗(yàn)，試樣進(jìn)行拉伸后無法還原到初始狀態(tài)，無法進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)。偏軸拉伸試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于試樣兩側(cè)呈自由狀態(tài)，因此不會(huì)出現(xiàn)纖維束拉緊的狀態(tài)，在試樣中心區(qū)域容易出現(xiàn)純剪切變形行為。也正是由于試樣兩側(cè)無束縛，拉伸過程中會(huì)出現(xiàn)纖維滑脫的現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際剪切角小于理論剪切角，且易使試驗(yàn)的分散性增大。

CCF300-B1和CCF300-B2碳纖維NCF織物偏軸拉伸的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。CCF300-B1碳纖維NCF織物在0°方向進(jìn)行偏軸拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸載荷主要來源于經(jīng)編線拉伸、纖維束間摩擦力和纖維束與經(jīng)編線間摩擦力，其中，經(jīng)編線拉伸占主要作用，且相比畫框剪切試驗(yàn)，偏軸拉伸試驗(yàn)中經(jīng)編線拉緊更快，因此從試驗(yàn)開始，拉伸載荷增加較快，隨著剪切角的增大，拉伸載荷繼續(xù)增大，直到經(jīng)編線斷裂，拉伸載荷開始下降。

CCF300-B1碳纖維NCF織物在90°方向進(jìn)行偏軸拉伸試驗(yàn)時(shí)，無經(jīng)編線拉伸作用，拉伸載荷僅來源于纖維束間摩擦和纖維束與經(jīng)編線間摩擦，且經(jīng)編線兩端呈自由狀態(tài)，不能起到束縛纖維束的作用，在偏軸拉伸過程中，本身摩擦力很小，加之試樣兩側(cè)纖維有滑移現(xiàn)象，因此整個(gè)偏軸拉伸過程中拉伸載荷始終很小。

CCF300-B2碳纖維NCF織物在45°方向進(jìn)行偏軸拉伸試驗(yàn)時(shí)，與畫框剪切過程類似，試驗(yàn)開始，摩擦力對(duì)拉伸載荷產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)，隨著剪切角增大，纖維偏轉(zhuǎn)，束間間隙逐漸消失，纖維束開始受到相鄰纖維束的擠壓作用，導(dǎo)致拉伸載荷迅速增大。

兩種雙軸向CCF300碳纖維NCF織物偏軸拉伸試驗(yàn)中剪切變形規(guī)律與國(guó)外T700碳纖維NCF織物相似［9-10］，剪切變形曲線具有一定規(guī)律性，數(shù)據(jù)分散性較小，表明這兩種織物的面內(nèi)變形性能較為穩(wěn)定。

圖7 CCF300-B 1和CCF300-B 2碳纖維NCF織物偏軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of bias tensile test for carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 1 and CCF300-B 2

2.2.3 半球鋪覆試驗(yàn)結(jié)果

1）CCF300-B1碳纖維NCF織物半球鋪覆試驗(yàn)分析

CCF300-B1碳纖維NCF織物在不同經(jīng)度方向上纖維取向變化測(cè)試結(jié)果如圖8所示。縱坐標(biāo)纖維取向角變化指的是測(cè)量面上纖維束與經(jīng)編線夾角的變化。

由圖8（a）可以看出，0°和45°方向上的碳纖維剪切角變化較小，而90°和-45°方向上碳纖維取向角變化則較為明顯。這是因?yàn)闇y(cè)量面上的0°方向?yàn)榻?jīng)編線所在方向，經(jīng)編線起到束縛纖維束的作用，使得纖維取向變化較小；45°方向?yàn)槔w維所在方向，該方向由纖維束承受軸向應(yīng)力，纖維剪切變化也較?。欢?0°方向，類似于畫框剪切或偏軸拉伸中的變形，較小的作用力可使織物產(chǎn)生剪切變形，纖維取向變化較明顯。對(duì)于CCF300-B1碳纖維NCF織物，在測(cè)量面-45°方向上纖維束受到橫向作用力，由于CCF300纖維較柔軟［24］，在橫向作用力下會(huì)產(chǎn)生明顯變形，纖維取向變化較大，且纖維束間產(chǎn)生較明顯的間隙缺陷。

圖8 CCF300-B 1碳纖維NCF織物在不同經(jīng)度方向上纖維取向角的變化圖Fig.8 Image of fiber orientation angle variation in carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 1 in different longitude directions

由圖8（b）可以看出，在較高的緯度上，CCF300-B1碳纖維NCF織物纖維剪切變形較小，纖維取向角變化較小，越靠近赤道，纖維剪切變形越明顯；同時(shí)，對(duì)于CCF300-B1碳纖維NCF織物，半球鋪覆的壓邊圈使得織物沿各方向受到相同的作用力，在相同作用力下，織物剪切變形主要發(fā)生在90°方向上，這是因?yàn)?0°方向無經(jīng)編線束縛，且CCF300織物較軟，纖維取向角變化更明顯。

由圖9中CCF300-B1碳纖維NCF織物半球鋪覆照片可知，較軟的CCF300-B1碳纖維NCF織物比T700織物穩(wěn)定性差［15］，進(jìn)行曲面鋪覆時(shí)，貼膜效果較好，但容易產(chǎn)生面內(nèi)剪切變形，從而形成較大的束間間隙缺陷。

2）CCF300-B2碳纖維NCF織物半球鋪覆試驗(yàn)分析

圖9 CCF300-B 1碳纖維NCF織物半球鋪覆照片F(xiàn)ig.9 Pictures of carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 1 in hemisphere forming test

CCF300-B2碳纖維NCF織物在不同經(jīng)度方向上的纖維取向變化測(cè)試結(jié)果如圖10所示?？v坐標(biāo)纖維取向角變化指的是上下兩層纖維夾角的變化。

由圖10（a）和圖10（b）可知，CCF300-B2碳纖維NCF織物在0°和90°方向基本不發(fā)生剪切變形，而在45°和-45°方向上剪切變形較為嚴(yán)重。這是因?yàn)镃CF300-B2碳纖維NCF織物纖維所在方向?yàn)?°和90°方向，纖維束受到軸向作用力時(shí)幾乎不發(fā)生剪切變形，CCF300-B2碳纖維NCF織物中經(jīng)編線沿0°方向，在45°和-45°方向的束縛作用較小，因此這兩方向上剪切變形明顯，且呈對(duì)稱特征，隨弧長(zhǎng)增大，剪切變形逐漸增大。

圖10 CCF300-B 2碳纖維NCF織物在不同經(jīng)度方向上纖維取向角的變化圖Fig.10 Image of fiber orientation angle variation in carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 2 in different longitude directions

由圖11中CCF300-B2碳纖維NCF織物半球鋪覆照片可知，其鋪覆效果較好，僅出現(xiàn)輕微的毛圈缺陷。

圖11 CCF300-B 2碳纖維NCF織物半球鋪覆照片F(xiàn)ig.11 Pictures of carbon fiber NCF fabrics of CCF300-B 2 in hemisphere forming test

2.3 CCF300碳纖維NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能

分別采用CCF300-B1和CCF300-B2碳纖維NCF織物制備準(zhǔn)各向同性鋪層復(fù)合材料，測(cè)試其基本力學(xué)性能，與CCF300-U3160單向織物增強(qiáng)準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料層合板力學(xué)性能作對(duì)比，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表5所示，其中Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)，C.V.為變異系數(shù)。對(duì)其力學(xué)性能按照纖維體積分?jǐn)?shù)55%進(jìn)行歸一化處理［23］，歸一化力學(xué)性能結(jié)果如表6所示。

由表6可知，CCF300-B1碳纖維NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮和層間剪切性能與CCF300-B2碳纖維NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料的性能差別不大，但拉伸及彎曲性能有所提高，這可能與引入的缺陷種類和分布有關(guān)；兩種雙軸向NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能與單向織物增強(qiáng)復(fù)合材料相差不多，但NCF織物增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，鋪覆性與成型性良好，可以替代單向織物等傳統(tǒng)預(yù)成型體。

表5 CCF300碳纖維NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of mechanical properties of CCF300 carbon fiber NCF fabric reinforced composites

表6 CCF300碳纖維NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能歸一化結(jié)果Table 6 Normalized results of mechanical property of CCF300 carbon fiber NCF fabric reinforced composites

3 結(jié) 論

1）表征了國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維的表面物化特性。國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面沿纖維縱向溝槽明顯，表面物化活性較高，有利于預(yù)成型體與樹脂的浸漬作用。

2）通過畫框剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)CCF300 0°/90°織物纖維取向相比CCF300 45°/-45°織物較好，織物編織控制更穩(wěn)定。

3）采用半球鋪覆試驗(yàn)表征了兩種NCF織物的鋪覆性，兩種織物曲面鋪貼效果均較優(yōu)。受編織方式影響，CCF300 45°/-45°織物主要出現(xiàn)束間間隙缺陷，CCF300 0°/90°織物主要出現(xiàn)毛圈缺陷。

4）兩種雙軸向NCF織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能與單向織物增強(qiáng)復(fù)合材料相比，總體差別較小，但NCF織物增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋪覆效率高、成型性良好，可作為單向織物等傳統(tǒng)預(yù)成型體的良好替代品。

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