陳超峰，烏云其其格，薛晴嵐，楊文良，彭濤,3

(1.中藍(lán)晨光化工有限公司，成都 610041；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京；3.高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041)

芳綸Ⅲ具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐磨損、介電常數(shù)及介電損耗低等優(yōu)點(diǎn)，是目前可自主批量穩(wěn)定供應(yīng)的國產(chǎn)高性能有機(jī)纖維之一，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及個(gè)體防彈裝備方面已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。芳綸Ⅲ綜合性能優(yōu)異，其潛在應(yīng)用形式及領(lǐng)域較多，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容機(jī)匣、直升機(jī)艙/進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)殼/槳葉、機(jī)載/艦載/星載雷達(dá)罩、方艙等[1-3]，但缺乏相關(guān)基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步拓展和促進(jìn)應(yīng)用，本文重點(diǎn)對(duì)三種規(guī)格的芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料的基本性能進(jìn)行表征分析，獲得了復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切和滾筒剝離性能數(shù)據(jù)，同時(shí)針對(duì)可能的使用條件，對(duì)復(fù)合材料在低溫、濕熱和水煮條件下的相關(guān)性能進(jìn)行測試評(píng)價(jià)，以期為下游用戶提供可靠的使用性能參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

芳綸Ⅲ纖維由中藍(lán)晨光化工有限公司生產(chǎn)，F(xiàn)-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex的產(chǎn)品牌號(hào)分別為F-368E1、F-368E1和F-368A，纖維的基本參數(shù)見表3。

F-3P60、F-3S120和F-3S175織物分別采用F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex纖維委托江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司織造，對(duì)應(yīng)進(jìn)口芳綸Ⅱ織物牌號(hào)為796、980和914[1]。F-3P60、F-3S120和F-3S175織物的基本參數(shù)見表4。

3233型環(huán)氧樹脂由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)，符合Q/6S 1517—2000的要求，樹脂黏度隨溫度變化情況見參考文獻(xiàn)[2]。

1.2 測試與表征

纖維力學(xué)性能采用CMT6104型電子萬能試驗(yàn)機(jī)[美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司]，按照GB/T 19975—2005方法，由中藍(lán)晨光化工有限公司自行測試。

織物力學(xué)性能和復(fù)合材料性能采用WDS-100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)制造廠)，由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司測試，測試方法在文中相應(yīng)的結(jié)果討論時(shí)注明。

復(fù)合材料測試條件有4種。室溫：試樣在23 ℃±2 ℃條件下測試；低溫：試樣在-55 ℃下保溫10 min后直接在-55 ℃下測試；濕態(tài)：試樣在70 ℃±3 ℃、85%±5%RH條件下達(dá)到吸濕平衡(間隔24 h以上試樣吸濕變化率小于0.01%)，然后在70 ℃±3 ℃下測試；水煮：是將試樣置于事先放置于100～105 ℃烘箱內(nèi)盛有蒸餾水的容器中48 h，取出(不烘干)室溫測試。

1.3 預(yù)浸料及層合板制備

F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧預(yù)浸料、層合板和夾層板的制備由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司完成，制備方法見參考文獻(xiàn)[2]。復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能采用層合板，滾筒剝離強(qiáng)度采用夾層板，預(yù)浸料和層合板參數(shù)見表1和表2。

表1 芳綸Ⅲ/3233預(yù)浸料參數(shù)

表2 芳綸Ⅲ/3233層合板參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸Ⅲ纖維性能

F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex三種規(guī)格芳綸Ⅲ纖維都采用濕法紡絲工藝制備，纖維連續(xù)三批次的線密度和力學(xué)性能均值和CV值列于表3中。

表3 芳綸Ⅲ纖維線密度及力學(xué)性能

從表3中可以看出三種規(guī)格的國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維連續(xù)三批次的斷裂強(qiáng)度和彈性模量均值分別達(dá)到28.7 cN/dtex和796.1 cN/dtex，具有較高的力學(xué)性能，明顯高于普通芳綸Ⅱ(18.5～22 cN/dtex)的力學(xué)性能。同時(shí)線密度和束絲力學(xué)性能CV值都小于5%，說明纖維穩(wěn)定性好。圖1顯示隨著線密度增加，纖維斷裂強(qiáng)度和延伸率增加，彈性模量降低，這和紡絲工藝及單纖構(gòu)成有關(guān)。23 tex、44 tex和135 tex的單纖線密度分別為3.7dtex、3.6dtex和3.3dtex，一方面隨著單纖線密度降低，對(duì)纖維強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大的皮層比例增加，束絲斷裂強(qiáng)度提升；另一方面單纖線密度降低，束絲中單絲根數(shù)增加，會(huì)造成單絲抱合性及均勻性降低，導(dǎo)致彈性模量降低。之所以設(shè)計(jì)不同的單纖纖度，主要是為了減少濕法紡絲工藝易斷絲問題對(duì)束絲性能和下游織造過程的影響。

圖1 三種芳綸Ⅲ纖維力學(xué)性能

2.2 芳綸Ⅲ織物性能

基于F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex的三種芳綸Ⅲ織物F-3P60、F-3S120和F-3S175的基本參數(shù)列于表4中。

F-3P60、F-3S120和F-3S175三種織物是為了替代進(jìn)口的芳綸Ⅱ織物牌號(hào)796、980和914，織物組織結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用需求和進(jìn)口保持一致，拉伸斷裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。因芳綸Ⅲ纖維斷裂強(qiáng)度(>28.5 cN/dtex)較芳綸Ⅱ斷裂強(qiáng)度(18.5～22 cN/dtex)高出30%以上，因此對(duì)應(yīng)的芳綸Ⅲ織物的拉伸斷裂強(qiáng)度明顯高于芳綸Ⅱ織物，尤其是F-3S175較914的經(jīng)向、緯向拉伸斷裂強(qiáng)度分別提高81.7%和47.5%。

表4 芳綸Ⅲ織物參數(shù)及性能

注 表中數(shù)據(jù)為三批次平均值。

表5 芳綸Ⅲ和進(jìn)口芳綸Ⅱ織物拉伸斷裂強(qiáng)度

注 織物拉伸斷裂強(qiáng)度采用GB/T 7689.5—2001方法測試。

2.3 復(fù)合材料性能

對(duì)三種芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的基本性能進(jìn)行測試，連續(xù)三批次測試結(jié)果均值列于表6中。

表6 芳綸Ⅲ/環(huán)氧復(fù)合材料性能

續(xù)表

注 上表數(shù)據(jù)為室溫(23 ℃±2 ℃)條件測試(1.2中的測試條件1)。

經(jīng)三批次測試，三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等性能穩(wěn)定。由表6中數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的層間剪切強(qiáng)度依次降低，而其他性能有依次增加趨勢。影響復(fù)合材料性能的因素很多，一般來說，單纖線密度降低會(huì)提高纖維束絲比表面積，增加纖維和樹脂的接觸面積，從而增強(qiáng)纖維和樹脂的界面結(jié)合力，有利于復(fù)合材料性能的提升。但同時(shí)織造結(jié)構(gòu)、織物厚度和上漿劑含量等會(huì)對(duì)復(fù)合材料性能造成直接影響。一方面緞紋織物在織造時(shí)對(duì)纖維的損傷較平紋織物小，緞紋結(jié)構(gòu)有利于纖維性能在織物中的轉(zhuǎn)化率提升，但平紋織物結(jié)構(gòu)均勻，厚度較薄，樹脂易浸透且可設(shè)計(jì)性增加；另一方面上漿劑有助于纖維卷繞和織造加工過程順利，減少纖維損傷，但上漿劑大多采用具有潤滑作用的硅油類物質(zhì)，其含量增加不利于纖維與樹脂的復(fù)合。

除徑向拉伸強(qiáng)度外，復(fù)合材料F-3P60/3233和796/3233[1]的性能大致相當(dāng)，但F-3P60/3233的經(jīng)、緯壓縮性能和滾筒剝離性能低于796/3233，說明芳綸Ⅲ復(fù)合材料在纖維構(gòu)成、纖維表面處理及樹脂匹配性等方面還有進(jìn)一步優(yōu)化和提升的空間。

2.4 不同測試條件的復(fù)合材料性能

為進(jìn)一步考察芳綸Ⅲ復(fù)合材料的使用性能，進(jìn)行了芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料的低溫、濕態(tài)和水煮條件下的性能測試，并和室溫性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫、低溫和濕態(tài)條件下的徑向拉伸性能對(duì)比，可以看出三種復(fù)合材料的徑向拉伸強(qiáng)度在室溫、低溫和濕態(tài)條件下測試結(jié)果依次降低，徑向拉伸模量在低溫條件下的測試結(jié)果最高。濕態(tài)條件下測試結(jié)果最低，應(yīng)該是在濕態(tài)處理過程中，水分沿纖維和樹脂界面侵入復(fù)合材料，降低復(fù)合材料性能。

圖2 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫、低溫及濕態(tài)條件下的徑向拉伸性能(測試方法ASTM D 3039)

圖3為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫和濕態(tài)條件下的徑向壓縮性能對(duì)比，可以看出濕態(tài)條件下三種織物復(fù)合材料的徑向壓縮強(qiáng)度和壓縮模量都較室溫條件下的測試結(jié)果大幅度降低，尤其是壓縮強(qiáng)度降低明顯，降低幅度分別為41.6%、41.0%和40.5%。

圖4為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫和水煮條件下的彎曲性能對(duì)比，水煮條件下彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都有不同程度的降低，其中彎曲強(qiáng)度降低較為明顯，降低幅度分別為24.9%、27.3%和23.4%。

圖5為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫和水煮條件下的層間剪切強(qiáng)度對(duì)比，經(jīng)水煮后三種織物復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度分別降低31.4%、35.3%和31.6%。

圖3 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫和濕態(tài)條件下的徑向壓縮性能(測試方法ASTM D 6641)

圖4 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫和水煮條件下的彎曲性能(測試方法Z9 1301)

圖5 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫和水煮條件下的層間剪切性能(測試方法Z9 1296)

3 結(jié)論

(1)三種國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex的斷裂強(qiáng)度可穩(wěn)定在28.7 cN/dtex以上，較普通進(jìn)口芳綸Ⅱ高出30%以上。

(2)對(duì)應(yīng)的三種織物F-3P60、F-3S120和F-3S175的拉伸斷裂強(qiáng)度都明顯優(yōu)于相應(yīng)的進(jìn)口芳綸Ⅱ織物，其中F-3S175的經(jīng)向、緯向拉伸斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到4499 N/25 mm和4338 N/25 mm，較進(jìn)口織物914分別提高81.7%和47.5%。

(3)經(jīng)三批次測試，芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等性能穩(wěn)定，層間剪切強(qiáng)度依次降低，而其他性能有依次增加趨勢。

(4)復(fù)合材料在低溫、濕熱和水煮條件下的性能測試結(jié)果表明,除低溫條件下的徑向拉伸模量稍有增加外，其他性能及濕熱、水煮條件測試結(jié)果較室溫條件都有不同程度的降低。其中濕態(tài)條件下F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的壓縮強(qiáng)度降低幅度分別為41.6%、41.0%和40.5%，水煮條件層間剪切強(qiáng)度分別依次降低31.4%、35.3%和31.6%。