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与金属等传统结构材料相比，碳纤维增强复合材料具有更高的比强度、比模量等性能特点，已在航空、航天等高技术领域和风电、压力容器、光伏等新能源为代表的工业领域得到了越来越广泛的应用。随着各领域应用要求的不断提高，碳纤维产品已经由以T300、T700为代表的高强标模产品逐步发展至以T800、T1000为代表的高强中模产品。目前各级别碳纤维产品都针对特定要求实现了广泛的应用，特别是T700级碳纤维产品已成为工业领域应用的主流碳纤维之一，经编织物即是其低成本化应用的一种广泛形式。 经编织物也称为多轴向经编织物、无屈曲织物，是由一层或多层平行无屈曲纱线按照设计需要的方向铺层排列而不互相交织，纱线层之间或纱线层与其他材料之间相互集成，使用缝编线沿厚度方向捆绑而成的一种织物。经编织物中平行伸直、无屈曲的纱线得以以所需角度引入织物结构中，从而实现最有效的结构预设计来定向增强预型件，特别适合于制备强度高但不耐折的玻璃纤维、碳纤维等纺织结构增强复合材料。 目前虽然T700级碳纤维经编织物已得到广泛应用，但是对其性能特别是国产碳纤维性能方面的系统分析还比较少，为此本研究对国产HF30F-24K碳纤维（T700级）的力学性能、表截面形貌、单向和0°/90°经编织物性能及其复合材料性能进行了测试分析。 1 实验部分1.1 原料与仪器 HF30F-24K碳纤维为湿喷湿纺工艺制备的T700级碳纤维，江苏恒神股份有限公司；DT-01环氧树脂，中国兵器五三研究所。 场发射扫描电子显微镜（SEM，Quanta FEG 250型），美国FEI公司；万能材料试验机（AXG-10型），日本岛津公司。 1.2 织物与复合材料制备条件 单向经编织物设计面密度为155 g/m 2，0°/90°经编织物设计面密度为250 g/m 2；预浸料树脂设计含量35%（质量分数）；复合材料固化制度为120 ℃/1h，180 ℃/1h，升温速率2 ℃/min，压力2 MPa。 1.3 分析与测试2 结果与讨论2.1 碳纤维力学性能分析 表1为HF30F-24K碳纤维力学性能。由表可知，HF30F-24K碳纤维拉伸强度均超过5000 MPa，强度较高，拉伸模量在252～257 GPa，断裂伸长率约为2.00%，碳纤维强度达到了东丽T700级碳纤维水平，拉伸模量整体高于东丽T700碳纤维的拉伸模量（230GPa）[1,2]。6个批次产品拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的离散系数(Cv)均较低，都在5%以内，表明HF30F-24K碳纤维稳定性良好。 2.2 碳纤维表截面形貌分析 图1为HF30F-24K碳纤维SEM图。由图可见，HF30F-24K碳纤维具有典型的纤维结构特征，截面基本为圆形，无皮芯结构，碳纤维表面沿轴向分布有大量沟槽，深浅不一。碳纤维表面沟槽的形成原因是湿法纺丝工艺下原丝表面形成沟槽，经预氧化、碳化后依然存在，加之碳纤维后期表面处理的氧化刻蚀。HF30F原丝采用湿纺纺丝工艺制备，纺丝原液直接进入凝固浴，此时凝固丝条表面形成的有弹性的凝胶外表在轴向拉力作用下，会沿轴向伸长和沿径向收缩，使凝固丝条细旦化，横截面积不断减小，从而会在表面形成折叠皱褶。同时，凝固丝条内部的溶剂逐步被凝固剂即水置换，导致塌陷又加大了形成褶皱的驱动力，纤维表面沟槽在凝固成纤过程中形成，在单轴向牵伸力作用下沿纤维轴取向排列，并最终遗留至碳纤维表面。碳纤维表面深浅不一的沟槽会增加碳纤维表面的缺陷，在一定程度上降低其本身的拉伸强度。碳纤维表面沟槽的形成也能够增加碳纤维的比表面积和表面能，有利于碳纤维和基体树脂的互相渗透以增强它们之间的机械啮合效果，当碳纤维与树脂复合时，树脂作为流动相会流入碳纤维表面的沟槽中，固化后即形成固态界面相，从而使树脂和碳纤维紧密地结合在一起，形成一个承载外力的整体。
图1 HF30F-24K碳纤维SEM图 [(a)表面SEM图；(b)截面SEM图] 2.3 经编织物性能分析 图2为HF30F-24K碳纤维经编织物数码照片。由图可见：碳纤维颜色为黑色，有光泽，纤维束粗细均匀，纤维束间无粘连，无外来物，无毛团；经编织物表面平整，纤维纹路清晰，无屈曲，纤维排列均匀，无缺纱、断纱，表面无油污及杂质。
图2 HF30F-24K碳纤维经编织物数码照片 表2为HF30F-24K碳纤维经编织物性能。由表可以看出：0°/90°经编织物2个批次产品的单位面积质量分别为255.0 g/m2和242.5 g/m2，与设计值250g/m2基本一致；经向断裂强力分别为3197 N/25mm和2875 N/25mm，纬向断裂强力分别为2688 N/25mm和2691 N/25mm，均高于设计指标2350 N/25mm，特别是经向断裂强力，因编织过程张力保持稳定，纤维更为整齐平直，因此断裂强力高于纬向断裂强力。单向织物2个批次产品的单位面积质量分别为156.4 g/m2和155.0 g/m2，与设计值155 g/m2非常一致，其经向断裂强力分别为3823 N/25mm和4052 N/25mm，均高于设计值。 表2 HF30F-24K碳纤维经编织物性能 项目 0°/90°经编织物 单向织物 批次1 批次2 批次1 批次2 单位面积质量/(gm -2) 255.0 242.5 156.4 155.0 经向断裂强力/[N(25mm) -1] 3197 2875 3823 4052 纬向断裂强力/[N(25mm) -1] 2688 2691 — — 2.4 复合材料性能分析 表3为HF30F-24K碳纤维单向预浸料复合材料性能。由表可以看出，复合材料拉伸强度为2306 MPa，拉伸模量为152.6 GPa，弯曲强度为2054 MPa，弯曲模量为135.4 GPa，层间剪切强度达到了125.8 MPa，复合材料整体性能较好。HF30F-24K为湿喷湿纺工艺制备的T700级碳纤维，通过SEM分析已知采用湿法纺丝工艺时，碳纤维表面沿轴向分布有大量深浅不一的沟槽，纤维表面沟槽的形成能够增加其比表面积和表面能，有利于碳纤维和基体树脂的互相渗透以增强它们之间的机械啮合效果，因此表现出较好的层间剪切性能。好的界面结合效果能够使树脂和碳纤维紧密地结合在一起，形成一个承载外力的整体，从而实现碳纤维在拉伸、弯曲等性能方面的较高转化。另外，因HF30F-24K碳纤维的拉伸模量大于250 GPa，高于T700S碳纤维拉伸模量(230 GPa)，因此其单向复合材料的模量均较高。 表3 HF30F-24K碳纤维单向预浸料复合材料性能 项目 平均值 层间剪切强度/MPa 125.8 拉伸强度/MPa 2306 拉伸模量/GPa 152.6 压缩强度/MPa 1290 压缩模量/GPa 132.0 弯曲强度/MPa 2054 弯曲模量/GPa 135.4 表4为HF30F-24K碳纤维0°/90°经编织物预浸料复合材料性能。由表可知，复合材料层间剪切强度为77.2 MPa，体现了湿法纺丝工艺碳纤维具有的较好层间剪切性能。复合材料拉伸强度为1203.8 MPa，拉伸模量为86.8 GPa，压缩强度为791.2 MPa，压缩模量为80.2 GPa，弯曲强度为1308.1 MPa，弯曲模量为78.5 GPa，均达到了设计要求。复合材料的整体性能表现出碳纤维本身的性能特点，HF30F-24K碳纤维拉伸强度大于5000 MPa，拉伸模量超过250 GPa，在0°/90°经编织物预浸料复合材料方面实现了力学性能的高转化，也进一步验证了HF30F-24K碳纤维和环氧基体树脂体系具有好的界面结合效果，实现了有效的力学性能传递，碳纤维、上浆剂和基体树脂形成了良好的结合体即界面层。 表4 HF30F-24K碳纤维0°/90°经编织物预浸料复合材料性能 项目 平均值 层间剪切强度/MPa 77.2 拉伸强度/MPa 1203.8 拉伸模量/GPa 86.8 压缩强度/MPa 791.2 压缩模量/GPa 80.2 弯曲强度/MPa 1308.1 弯曲模量/GPa 78.5 3 结论 （1）HF30F-24K碳纤维拉伸强度大于5000 MPa，拉伸模量超过250 GPa，且拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率的C V值均较低，具有较好的力学性能和稳定性； （2）HF30F-24K碳纤维0°/90°经编织物经向、纬向断裂强力较高，均优于设计值，单向织物经向断裂强力性能更好； （3）HF30F-24K碳纤维经编织物预浸料复合材料具有较高的层间剪切强度，体现了湿纺工艺碳纤维的界面结合优势，单向和0°/90°经编织物预浸料复合材料的强度与模量均较高，实现了碳纤维至复合材料力学性能的高转化。 声明：公众号偶尔转载的文章出于非商业性的教育和科研目的供大家参考和探讨，并不意味着支持其观点或证实其内容的真实性。版权归原作者所有，如转载稿涉及版权等问题，请立即联系我们删除。 网站平台：www.posongbi.com 塑料成型工艺大全（附动画 机加工的九大误差，你知道几个？ 金属材料力学性能与热处理工艺 各种材料失效分析方法汇总，值得收藏！ 这12种螺栓防松方法，有的你可能真的不知道 粗牙与细牙螺纹，如何选择？ 常见表面处理技术知识，研发请收好 机械零件设计如何考虑结构工艺性 最全的金属材料失效分析 各种金属材料成形工艺 |
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