孫興祥 孔令強 譚波 夏建明 陳文書 孫春根

(浙江精功碳纖維有限公司，浙江 紹興 312073)

聚丙烯腈基碳纖維是一種人造合成纖維，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐化學腐蝕、耐疲勞、耐熱、密度小等一系列優(yōu)異性能，屬于典型的高性能纖維。而碳纖維的力學性能指標是評判碳纖維產(chǎn)品規(guī)格和等級的主要依據(jù)，從高強型碳纖維到高強高模型碳纖維，各種型號的碳纖維產(chǎn)品無一不是通過纖維力學性能來劃分的。碳纖維的力學性能表征分為單絲拉伸和復(fù)絲拉伸，楊延風等[1]對單絲拉伸和復(fù)絲拉伸進行了詳細對比，但單絲拉伸中的各項輸入?yún)?shù)均為計算獲得，且其測試結(jié)果對后期應(yīng)用的直接指導(dǎo)意義存在爭議。因此，碳纖維的復(fù)絲拉伸是目前領(lǐng)域內(nèi)廣泛采用的表征方法。

碳纖維的復(fù)絲拉伸方法在國標GBT 3362—2017進行了詳細規(guī)范，吳怡凡、張為琴等[2]對復(fù)絲制樣過程中的樹脂體系、固化條件及固化度對性能的影響進行了研究，認為復(fù)絲制樣過程中宜采用低固化溫度和長固化時間。梁燕、邱星翔等[3]通過對復(fù)絲制樣過程中樹脂體系、浸膠方法、固化工藝及加強片等方面的影響進行了研究。此外，制樣環(huán)境對碳纖維復(fù)絲拉伸影響也被證明[4]。在對復(fù)絲拉伸的各類研究中，主要是對各種影響因素與拉伸性能的關(guān)系進行研究，而從復(fù)絲樣條實際狀態(tài)及斷裂形貌方面的研究很少。尤麗虹等[5]人在復(fù)絲樣條制備技術(shù)中提到了不同浸漬膠液配方對界面形貌的影響，但在實際生產(chǎn)過程中，為了數(shù)據(jù)的代表性，浸漬膠配方必須固定，且復(fù)絲樣條的界面形貌反映不僅是制樣問題，與碳纖維本身也存在很大關(guān)系。

1 實驗部分

1.1 原料

浙江精功碳纖維有限公司自產(chǎn)24K T300級碳纖維絲。

復(fù)絲拉伸樣條制樣方法按照GBT 3362—2017執(zhí)行。

1.2 實驗設(shè)備

1.2.1 復(fù)絲拉伸設(shè)備

英國INSTRON3866，拉伸速度：20 mm/min。

1.2.2 掃描電子顯微鏡

采用日立S-4700型掃描電子顯微鏡，測試條件：加速電壓20 kV。

制樣方法：在正常拉伸斷裂的樣條中隨機選取肉眼觀測相對齊整的樣條，使斷口豎直向上固定于樣品臺上，最后進行噴金待測。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維復(fù)絲拉伸樣條斷面形貌

與單絲拉伸相比，復(fù)絲拉伸的理想斷裂狀態(tài)為絲束中所有單絲同時受力在樣條薄弱處發(fā)生斷裂，但是在實際制樣和拉伸過程中，并不能達到理想的斷裂，因此拉伸強度存在一定的波動范圍，圖1是復(fù)絲拉伸樣條典型的斷面形貌。

圖1 復(fù)絲拉伸樣條斷面形貌

從圖1中可以看出，隨機選擇的復(fù)絲拉伸樣條斷面并不齊整。根據(jù)不同形貌特征，可以將斷面分成3類區(qū)域，1#區(qū)為纖維拔出區(qū)，2#區(qū)為孔洞，3#區(qū)為正常斷裂區(qū)。拉伸過程中，顯然3#區(qū)所占比例對于拉伸強度有直接影響。

從圖2可以看到，復(fù)絲拉伸樣條斷面1#區(qū)域纖維拔出區(qū)域纖維雖然發(fā)生斷裂，但斷面參差不齊，最大特征是：纖維從樹脂中拔出，說明此區(qū)域纖維與樹脂的界面結(jié)合力小于復(fù)合斷裂力值。

圖2 復(fù)絲拉伸樣條斷面纖維拔出特征

圖3 復(fù)絲拉伸樣條斷面孔洞特征

圖3中復(fù)絲拉伸樣條斷面2#區(qū)域為較為明顯的孔洞，孔洞內(nèi)部較為光滑，孔洞的存在對于整個拉伸樣條來說相當于對纖維進行了隔離，嚴重影響了纖維在樣條中的均勻分布，在拉伸受力過程中容易發(fā)生劈裂而造成樣條非正常斷裂。

圖4為復(fù)絲拉伸樣條斷面3#正常斷裂區(qū)域，可以看出，在此區(qū)域斷面較為齊整，無纖維拔出現(xiàn)象。說明此區(qū)域在拉伸達到最大載荷時同時斷裂，此區(qū)域纖維完全發(fā)揮了其自身性能，直接影響了最終拉伸強度結(jié)果。

圖4 復(fù)絲拉伸樣條斷面正常斷裂特征

2.2 碳纖維復(fù)絲拉伸樣條斷面形貌原因分析

從圖1中可以看出，復(fù)絲拉伸樣條斷面中3#正常斷裂區(qū)域占整個斷面面積的60%～80%，說明碳纖維所用上漿劑與制樣樹脂之間相容性較好，如果碳纖維所用上漿劑與制樣樹脂匹配性較差，樣條斷面將出現(xiàn)纖維整體與樹脂界面脫粘的情況。結(jié)合碳纖維生產(chǎn)過程及復(fù)絲樣條制樣過程，對斷面孔洞及纖維拔出的原因進行分析。

2.2.1 碳纖維復(fù)絲拉伸樣條斷面孔洞產(chǎn)生原因

從圖3孔洞內(nèi)部光滑程度判斷，孔洞的形成主要是由氣泡造成的，且氣泡尺寸較大，呈長條狀，固化后在樣條內(nèi)部性能柱狀的孔洞區(qū)。

(1)氣泡的形成主要是由于纖維絲束在浸膠過程中未被完全浸潤，這種情況在帶張力浸膠時較為普遍，且膠液濃度和黏度相對稍高，絲束內(nèi)部氣泡被裹挾其中無法自行排出。

(2)纖維浸膠后需要30～40 min的晾膠工序，讓溶劑自由揮發(fā)，如果直接將樣條放入烘箱進行固化，溶劑急速揮發(fā)，也容易形成較大氣泡。

2.2.2 碳纖維復(fù)絲拉伸樣條斷面纖維拔出產(chǎn)生原因

纖維的拔出現(xiàn)象是纖維與樹脂界面的破壞，分析其可能原因如下。

(1)纖維在表面處理和上漿劑過程中，表面處理和上漿效果存在一定的均一性問題，單絲之間的處理差異，在復(fù)絲樣條制樣過程中就體現(xiàn)出了界面效果的差異。

(2)在制樣過程中，同一束纖維中單絲間張力不均，拉伸過程是一個力的傳遞過程，而較為松弛的單絲在絲束斷裂時并未經(jīng)歷力的傳遞，而是受到瞬間拉力，并未發(fā)揮出纖維與樹脂復(fù)合的性能，導(dǎo)致纖維直接拔出。

2.3 碳纖維復(fù)絲拉伸樣條制樣優(yōu)化措施

圖5為制樣優(yōu)化后復(fù)絲拉伸樣條斷面形貌。可以看出，孔洞問題已經(jīng)解決，正常斷裂區(qū)域面積約達到90%，但還存在一定程度的纖維拔出區(qū)域。

圖5 優(yōu)化后復(fù)絲拉伸樣條斷面形貌

下表為不同復(fù)絲樣條優(yōu)化前后拉伸強度對比。從中可以看出，制樣優(yōu)化前后纖維拉伸強度都有了不同程度的改善，說明樣條中孔洞的存在對于碳纖維真實拉伸性能存在較大影響。

樣條優(yōu)化前后拉伸強度對比

針對碳纖維復(fù)絲拉伸樣條斷面問題，認為可以采取以下措施予以改進。

(1) 在復(fù)絲拉伸樣條取樣和制樣過程確保絲束中單絲的平行，盡量避免絲束中出現(xiàn)“松緊絲”，浸膠后施加一定的恒張力，在晾膠階段用玻璃棒輕輕敲擊樣條，震除多余膠滴的同時，對于纖維絲束內(nèi)部氣泡的脫除也有一定作用。

(2) 在碳纖維生產(chǎn)過程中，盡量增大纖維絲束寬幅，確保纖維絲束在表面處理和上漿過程中單絲間的均一性。

3 結(jié)論

(1)碳纖維復(fù)絲拉伸按照標準方法制樣同樣存在細節(jié)上的問題，對于反映碳纖維真實拉伸性能存在一定影響。

(2)在復(fù)絲拉伸樣條斷面SEM照片中可以明顯看到3種區(qū)域：纖維拔出區(qū)、孔洞、正常斷裂區(qū)。

(3)在碳纖維復(fù)絲拉伸樣條制樣過程中除了按照標準方法要求的工藝細節(jié)外，需要確保樣條的脫泡和張力均勻。

(4)通過對復(fù)絲拉伸樣條斷面形貌分析，也在一定程度上反映了碳纖維絲束中單絲間的不均一性，需要在生產(chǎn)中通過提高絲束寬幅予以解決。