司誠 張亮 余晶晶 肖光明

摘要：采用層間涂層法+模壓工藝制備了航空零部件用預(yù)浸料層合板，研究了BN 含量對預(yù)浸料層合板物相組成、顯微組織、導(dǎo)熱和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，預(yù)浸料層間涂層有良好結(jié)晶性，C、O、N 和B 元素都在層間樹脂中均勻分布，未見明顯偏聚現(xiàn)象。添加BN的預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)都高于未添加BN 的預(yù)浸料層合板，且溫度越高，相同BN 含量下預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)越大。添加BN的預(yù)浸料層合板的固化反應(yīng)起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度都高于未添加BN 的預(yù)浸料層合板，且添加7%BN時預(yù)浸料層合板的峰值溫度和結(jié)束溫度最高。隨著BN 含量增加，預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增加后減小，在BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；預(yù)浸料層合板；BN含量；導(dǎo)熱性能；力學(xué)性能

中圖分類號：V250.3；TQ342+.742???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0086-04

Application of carbon fiber composite prepreg in aviation parts

SI Cheng，ZHANG Liang，YU Jingjing，XIAO Guangming

（AVIC Xi an Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Xi an 710089，China）

Abstract： Prepreg laminates with different BN contents were prepared by interlayer coating method and molding? process. The effects of BN content on the phase composition，microstructure，thermal conductivity and mechanical? properties of prepreg laminates were studied. The results showed that the interlayer coating of prepreg hadgoodcrys- tallinity，and the elements C，O，N and Bwereuniformly distributed in the interlayer resin，without obvious segrega- tion. The thermal conductivity of prepreg laminates with BN was higher than that of prepreg laminates without BN， and the higher the temperature was，the greater the thermal conductivity of prepreg laminates with the same BN con- tent was.The starting temperature，peak temperature and end temperature of curing reaction of prepreg laminates? with BN addition were higher than those of prepreg laminates without BN addition，and the peak temperature and? end temperature of prepreg laminates with 7% BN addition were the highest. With the increase of BN content，the? flexural strength and impact strength of prepreg laminates first increased and then decreased，and reached the maxi- mum when the BN content was 7%.

Keywords： carbon fiber composite；prepreg laminates；BN content；thermal conductivity；mechanical property

碳纖維/環(huán)氧樹脂（CF/EP）復(fù)合材料預(yù)浸料在航空航天領(lǐng)域一直都有著廣泛應(yīng)用，這主要是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料預(yù)浸料層合板有著質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)[1]，尤其是隨著近年來航空航天事業(yè)的快速發(fā)展和對復(fù)合材料應(yīng)用需求的提高，越來越多的零部件逐漸向碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料演變，由此也給碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料的質(zhì)量提出了更高的要求[2-3]。對于航空零件用碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料，由于服役過程中需要經(jīng)歷高溫、輻射等異常復(fù)雜環(huán)境[4]，因此，碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料需要具有良好的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能等，而傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料雖然在一定程度上能夠滿足使用要求，但是由于導(dǎo)熱系數(shù)相對較低等仍然限制了其應(yīng)用，需要對預(yù)浸料層合板進(jìn)行改性處理[5-9]。通過在航空零部件用預(yù)浸料層間涂抹導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱材料，采用模壓成形工藝制備了航空零部件用碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料層間板，并考察了氮化硼（BN）含量對層合板導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能的影響，結(jié)果有助于航空零部件用高性能碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料層間板的開發(fā)與應(yīng)用。

1 材料與方法

試驗(yàn)原料包括 USN20000型碳纖維/環(huán)氧樹脂（厚度0.2 mm、纖維單位面積150 g/m2、拉伸強(qiáng)度113 MPa、彈性模量219 GPa）、純度99%BN、KH550型硅烷偶聯(lián)劑、自制去離子水。

以體積比1∶4∶35的比例將硅烷偶聯(lián)劑、酒精和去離子水混合均勻后，加入到磁力攪拌機(jī)中進(jìn)行38℃、30 min攪拌處理，然后加入一定含量的BN粉末，升溫至58℃攪拌30 min制成懸濁液。將帶有BN 粉末的懸濁液用軟毛刷涂抹在預(yù)浸料表面，采用模壓工藝制作航空零部件用預(yù)浸料層合板[10]，固化工藝為128℃/1 h+155℃/0.5 h、壓力為5 MPa。

物相分析采用德國D8 ADVANCE X射線衍射儀進(jìn)行分析，銅靶 Kα輻射，掃描速度2°/min；采用 JSM-6800型掃描電鏡觀察顯微形貌、斷口形貌，并用附帶能譜儀進(jìn)行元素成分測試[11]；采用NETZSCH激光法導(dǎo)熱分析儀LFA 427進(jìn)行熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)測試；采用 DSC-750L差示掃描量熱儀進(jìn)行熱重分析-差熱分析測試[12]；采用Olymplus GX51型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察；采用MTS-809型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測試[13]，結(jié)果為5組試樣平均值；采用XJJ-5型沖擊試驗(yàn)機(jī)測試無缺口室溫沖擊強(qiáng)度，結(jié)果為5組試樣平均值。

2 結(jié)果與分析

圖1為航空零部件用預(yù)浸料層間涂層的X射線衍射圖譜。

從圖1可以看出，預(yù)浸料層間涂層XRD圖譜中可見較為尖銳的衍射峰，分別位于（002）、（100）、（101）、（102）和（004）晶面，未見非晶饅頭峰出現(xiàn)，表明預(yù)浸料層間涂層有良好結(jié)晶性[14]。

圖2為航空零部件用預(yù)浸料層間涂層的能譜分析和元素面掃描。

從圖2可以看出，預(yù)浸料層間涂層主要含有 C、 O、N和B元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50.94%、7.8%、25.96%和15.3%；從元素面掃描分析結(jié)果看，C、O、N和B元素都在層間樹脂中均勻分布，未見明顯偏聚現(xiàn)象。

圖3為航空零部件用預(yù)浸料層合板的顯微形貌，分別列出了平行纖維方向和垂直纖維方向?qū)雍习宓娘@微形貌。

從圖3（a）、（b）對比分析可知，無論是平行纖維方向，還是垂直纖維方向，BN顆粒都呈現(xiàn)均勻分布在預(yù)浸料里的特征，且整個預(yù)浸料層合板較為致密，未見異常氣孔、裂紋等缺陷存在。選取20個BN涂層進(jìn)行厚度測量[15-16]，結(jié)果表明其平均厚度為35μm。

圖4為航空零部件用預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)。

從圖4（a）、（b）熱擴(kuò)散率測試結(jié)果看，隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率先增加后減小，在BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值，繼續(xù)增加BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率反而減??；此外，添加BN的預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率都高于未添加 BN的預(yù)浸料層合板，且溫度越高，相同BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)下預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率越小。從導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果看，隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)先增加后減小，在BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值，繼續(xù)增加BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)反而減小；此外，添加BN的預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)都高于未添加BN的預(yù)浸料層合板，且溫度越高，相同BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)下預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)越大。整體而言，隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢基本相同。

表1為航空零部件用預(yù)浸料層合板的熱重分析-差熱分析結(jié)果。從熱降解角度看，未添加BN的預(yù)浸料層合板的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度分別為371、431和804℃ ， 當(dāng)添加7%BN時預(yù)浸料層合板的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度分別為376、431和801℃;當(dāng)添加10%BN時預(yù)浸料層合板的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度分別為381、430和803℃;從固化反應(yīng)角度看，未添加BN的預(yù)浸料層合板的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度分別為156、173和185℃ ， 當(dāng)添加7%BN時，預(yù)浸料層合板的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度分別為166、181和191℃ ， 當(dāng)添加10% BN時預(yù)浸料層合板的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度分別為169、179和189℃。對比分析可知，添加BN 的預(yù)浸料層合板的熱降解起始溫度高于未添加BN 的預(yù)浸料層合板，而峰值溫度和結(jié)束溫度低于未添加BN的預(yù)浸料層合板；添加BN的預(yù)浸料層合板的固化反應(yīng)起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度都高于未添加BN的預(yù)浸料層合板，且添加7%BN時預(yù)浸料層合板的峰值溫度和結(jié)束溫度最高。

表2為航空零部件用預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度測試結(jié)果。當(dāng) BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、5%、7%和10%時，預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度分別為1378、1210、1323、1346和1283 MPa，沖擊強(qiáng)度分別為195、215、220、225和180 MPa?？梢?，添加 BN的預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度都低于未添加BN的預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度，且隨著 BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度先增加后減小，在BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值；添加BN的預(yù)浸料層合板的沖擊強(qiáng)度都低于未添加 BN 的預(yù)浸料層合板，且隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料層合板的沖擊強(qiáng)度先增加后減小，在BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值。

圖5為航空零部件用預(yù)浸料層合板的裂紋擴(kuò)展形貌。對于未添加BN的預(yù)浸料層合板，沖擊斷口較為平整，呈現(xiàn)脆性斷裂的特征；而添加7%BN的預(yù)浸料層合板，在層合板截面可以觀察到裂紋斜向擴(kuò)展的特征，這主要是因?yàn)?BN顆粒均勻分散在層合板中，可以起到抑制裂紋擴(kuò)展的作用，在沖擊過程中有助于吸收更多的能力而提高沖擊強(qiáng)度[17-19]。航空零部件用預(yù)浸料層合板的沖擊斷口中裂紋形貌觀察結(jié)果與表2的測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語

（1）隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，航空零部件用預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率先增加后減小，在BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值，繼續(xù)增加BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率反而減小；添加BN的預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率都高于未添加BN的預(yù)浸料層合板，且溫度越高，相同BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)下預(yù)浸料層合板的熱擴(kuò)散率越小。隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)先增加后減小，在BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時取得最大值，繼續(xù)增加 BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)反而減??；添加 BN的預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)都高于未添加 BN的預(yù)浸料層合板，且溫度越高，相同 BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)下預(yù)浸料層合板的導(dǎo)熱系數(shù)越大；

（2）添加BN的預(yù)浸料層合板的熱降解起始溫度高于未添加BN的預(yù)浸料層合板，而峰值溫度和結(jié)束溫度低于未添加 BN 的預(yù)浸料層合板；添加 BN 的預(yù)浸料層合板的固化反應(yīng)起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度都高于未添加 BN的預(yù)浸料層合板，且添加7%BN 時預(yù)浸料層合板的峰值溫度和結(jié)束溫度最高；

（3）當(dāng) BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、5%、7%和10%時，航空零部件用預(yù)浸料層合板的彎曲強(qiáng)度分別為1378、1210、1323、1346和1283 MPa，沖擊強(qiáng)度分別為195、215、220、225和180 MPa。

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