上浆剂对碳纤维聚丙烯复合材料力学性能的影响
上浆剂对碳纤维增强双马树脂基复合材料力学性能的影响
上浆剂对碳纤维增强双马树脂基复合材料力学性能的影响Study on M echanical Behavior of CF/BM I CompositesA ffected by Different Sizing of Carbon Fiber丁东,肇研,罗云烽,段跃新,孙永春(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191)DING Do ng,ZH AO Yan,LUO Yun-feng,DUAN Yue-xin,SUN Yong-chun (Schoo l of M aterials Science and Engineering,Beihang U niversity,Beijing100191,China)摘要:通过对包覆不同上浆剂的碳纤维增强双马树脂基复合材料在不同温度下的层间剪切强度、弯曲性能和三点弯曲试样破坏模式进行研究,探讨了上浆剂对碳纤维增强双马树脂基复合材料力学性能的影响。
研究表明不同的国产上浆剂对CCF300/QY8911复合材料在高温环境时的层间剪切强度和弯曲强度有影响;室温下不同上浆剂的CCF300/ QY8911复合材料的力学性能与T300/QY8911复合材料的相当,而高温下其力学性能的保持率低于T300/Q Y8911复合材料的。
关键词:复合材料;力学性能;上浆剂;碳纤维;双马树脂文献标识码:A文章编号:1001-4381(2009)Suppl2-0200-04Abstract:ILSS,the bending property o f BMI composites w ith different sizing o n carbo n fiber under different temper ature and the failure mode of the sam ple in the bending propr ety test ar e analyzed. The effect by the sizing on the m echanical behav io r o f CF/BM I co mpo sites is also analyzed.From these studies,it can be found that the ILSS and the bending str ength of CCF300/QY8911com po sites under hig h tem perature are effected by the sizing;T he mechanical behavior o f CCF300/QY8911com-posites is similar to T300/Q Y8911co mposites under room temperature.T he co nser vation rate of me-chanical pro perty o f CCF300/QY8911composites is low er than the T300/QY8911co mposites.under hig h tem perature.Key words:com posite;mechanical behavior;sizing;car bon fiber;BMI碳纤维(CF)增强树脂基复合材料具有比强度、比模量高等一系列优点而被广泛应用于航空航天等高科技领域[1-3]。
碳纤维表面处理对碳纤维聚丙烯复合材料界面结合性能的影响
碳纤维表面处理对碳纤维/聚丙烯复合材料界面结合性能的影响徐胜，黄雪飞，杨斌*（上海交通大学化学化工学院，上海200240）摘要：研究了电化学氧化、环氧上浆处理对碳纤维/聚丙烯（CF/PP）复合材料界面结合性能的影响，首先通过AFM、XPS 等测试不同碳纤维的表面形貌和化学性质，然后借助微球脱粘实验考察对比不同CF/PP的界面剪切强度（1FSS）。
结果显示高温碳化后的碳纤维表面呈惰性，复合材料1FSS仅有3.76MPa；经过电化学氧化处理，表面粗糙度增大，羟基和羧基基团增多，1FSS增加到4.85MPa；上浆处理后，表面引入活性的环氧基团，1FSS进一步增加到5.51MPa，同时界面均匀性也有所改善。
根据结果分析，碳纤维表面性质改变引起的界面区域机械锁合、范德华力以及分子链缠结作用增加是界面性能提升的主要原因。
但与相容剂相比，传统碳纤维表面处理对CF/PP界面改善效果相对较弱，开发更加有效的改性方法十分必要。
关键词：碳纤维；聚丙烯；界面；微球脱粘；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000（2021）01-0065-071引言当前，汽车工业面临着节能减排的巨大压力，使用轻质的复合材料实现车身轻量化是有效的解决措施之一，碳纤维/树脂复合材料凭借其高比强度和比模量的特性成为重点研究的金属替代材料［1-3］。
与碳纤维/环氧复合材料（CF/EP）相比,热塑性的碳纤维/聚丙烯复合材料（CF/PP）具有可重复加工、成型周期短、价格低和轻量化指数高等优点,在汽车领域具有更好的应用前景［3,4］。
界面作为复合材料内部性质变化的过渡区域,负责将外界应力从基体传递到增强体，其结合性能关系到材料整体力学性能的表现［5-7］。
碳化后的碳纤维表面性质呈惰性，加之聚丙烯分子非极性,导致CF/PP界面的弱结合问题突出。
我们总结了文献中针对CF/PP界面的碳纤维表面改性方法，将其分为两类:一是经过硝酸［8］、等离子体［9］、高温气体［10］等处理改变其表面本体结构；二是在表面涂覆或接枝活性物质如碳纳米管［11］、石墨烯［12］、ZnO纳米棒［13］、聚合物涂层［14］等。
工艺条件下上浆剂对碳纤维与树脂浸润_粘结特性的影响
工艺条件下上浆剂对碳纤维与树脂浸润、粘结特性的影响Effect of sizing on the Wetting Property of Carbon Fiber/Resin and Its Interfacial AdhesionUnder Process Condition北京航空航天大学材料科学与工程学院 武 清 李 敏 姚丽瑞 袁 超 顾轶卓 张佐光[摘要] 本文实验研究了复合材料成型工艺条件下上浆剂对碳纤维/树脂浸润和粘结特性的影响规律，考察了去剂前后碳纤维与树脂的动态接触角，以及上浆剂对碳纤维表面形貌、表面粗糙度和表面活性的影响。
在此基础上，分析了上浆剂自身及其与环氧树脂的化学反应性，结果表明，成型工艺条件下上浆剂可溶解并扩散到树脂体系中，改善碳纤维与树脂的浸润性，并影响碳纤维/树脂的界面粘结性能。
这一实验结果对于指导国产碳纤维上浆剂的研究和复合材料的工艺优化具有重要参考价值。
关键词：上浆剂碳纤维成型工艺浸润化学反应界面粘结[AbsTRACT] This paper deals with the influence of sizing on the wetting and interfacial bond property of carbon fibers/resin under process condition. The surface groove, surface roughness, surface activity and wetting ability with resin of the desized and sized carbon fiber were investigated using scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM), X-ray photo-electron spectroscopy (XPS) and dynamic contact angle analysis (DCAT), respectively. On above basis, chemical interactions of sizing itself and interactions between sizing and epoxy resin were analyzed. The result indicated that sizing can be dissolved and diffuses in the resin system, improves the wettability of carbon fiber and resin, more-over, impacts carbon fiber/resin adhesion. This result is of great reference value for the guidance of studying the siz-ing of domestic carbon fiber and for the process optimiza-tion of composites.Keywords: Sizing carbon fiber molding process wetting chemical reaction interfacial adhesion 在碳纤维生产过程中，通常会对碳纤维进行上浆处理，即在纤维表面涂覆一层薄的聚合物层。
上浆剂对聚丙烯腈基碳纤维工艺性能影响的研究
收 稿 日期 ：２０１５—１２—１８。 作者简介 ：刘瑞超 ，男，１９８６年 出生，２０１０年毕业 于东华 大学 纺织材料 与纺织品设计 专业 ，助理 研究 员，长期从 事纤 维生 产 与 产 品研 凝 Ｉ
石 油 化 工 技 术 与 经 济
碳 纤维 再上 浆样 品采 用上述 标 准样 品经 高温 退 浆后 再上 浆制 备得 到 。
再 上 浆试验 采用 的上 浆剂 选用 国外进 口 ＳＡ１ 型环氧 乳液 上浆 剂 （简称进 口 ＳＡ１型 ），中国科 学 院上海 有机 化学 研究 所 研发 生 产 的 ｘ１型环 氧 乳 液 上浆 剂 （简称 国产 ｘ１型 ）和 Ｘ２型环 氧乳 液 上 浆剂 （简称 国产 Ｘ２型 ）。 １．３ 工艺流 程
文 章通 过测 试分 析 国 内外 多种 上浆剂 的结构 组 成 和乳液 性能 ，考察 采 用 不 同种 类 上浆 剂 再 上 浆 后 的聚丙 烯腈 基碳 纤维 表面形 貌 、上浆 量 、直挺 度和耐 磨性 等各 项 工 艺 指 标 的 变化 规 律 ，探 索 不
同种类 上浆 剂对碳 纤 维工 艺性 能 的影 响 。
１ 试验 部 分 １．１ 试 验 装置
中国科 学 院上海 有机 化学研 究所 自行 搭建 的 两丝束 高性 能碳 纤维 上浆模 拟试 验 线平 台 。 １．２ 主要原 料
碳 纤维 标 准 样 品 为 日本 东 丽 （ＴＯＲＡＹ）株 式 会 社 采 用 东 丽 ５ 上 浆 剂 生 产 的 聚 丙 烯 腈 基 ，Ｉ７ｏ０ＳＣ一１２Ｋ一５０Ｃ碳 纤维 。
匮至Ｈ面亟蒌 巫卜匮 亟 岖 三 懂至 ＿．［ 耍 囹
氮 气保 护 。 （８）碳纤 维直 挺度 采 用定 制 ＺＴＤ 一１直 挺度 测 试 仪 ，测 量 固定
上浆剂类型对碳纤维／乙烯基酯树脂复合材料性能影响
ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ／ ｖｉｎｙｌ ｅｓｔｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｉｚｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ． Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆ ｉｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｓｉｚｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｈａｖｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｉｎｙｌ ｅｓｔｅｒ ｒｅｓｉｎ．
…
实验报告／ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｒｅｐｏ
上 浆 剂 类 型 对碳 纤 维／乙烯 基 酯树 脂 复合材 料 性 能 影 响
欧 阳新 峰 ，李红 龙 ，李果 ，孙 旭 涛 ，郭鹏 宗 ，黄 优优 （１．中复神鹰碳纤维有限责任公 司，连云港 ２２２０６９； ２．中 国复合 材料 集 团有 限公 司 ，北京 １０００３６）
碳纤维／乙烯基酯树脂复合材料制备过程 中影 响 乙烯 基 酯树 脂 与 碳 纤 维 界 面结 合 的 主要 因 素有 表面处 理 、上浆 剂 、固化 体 系等 。 本 文 研 究 了 乙烯基 酯树 脂 的 固化工 艺条 件 ，优 化 了 固化工 艺 ， 同时研 究水 性 环 氧 上 浆 剂碳 纤 维 和水 性 聚氨 酯 上 浆剂碳 纤 维对 制备 碳纤 维／乙烯基 酯 树 脂复 合 材料 的影 响 ，并 对 比了两种碳 纤 维／乙烯 基 酯树 脂 复合 材料的力学性 能、热稳 定性 能和界面结 合性能 ， 为工业 应 用提 供参 考 。
面向3D打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响
㊀第３９卷㊀第５期２０２０年５月中国材料进展ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＨＩＮＡＶｏｌ ３９㊀Ｎｏ ５Ｍａｙ２０２０收稿日期:２０１９－１０－１５㊀㊀修回日期:２０２０－０１－１４基金项目:国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＦ０２０２００４)ꎻ基础加强项目(２０１７－ＪＣＪＱ－ＺＤ－０３５)第一作者:张曼玉ꎬ女ꎬ１９９４年生ꎬ博士研究生通讯作者:田小永ꎬ男ꎬ１９８１年生ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬＥｍａｉｌ:ｌｅｏｘｙｔ＠ｍａｉｌ ｘｊｔｕ ｅｄｕ ｃｎＤＯＩ:１０ ７５０２/ｊ ｉｓｓｎ １６７４－３９６２ ２０１９１０００３面向３Ｄ打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响张曼玉ꎬ刘腾飞ꎬ田小永ꎬ李涤尘(西安交通大学机械工程学院ꎬ陕西西安７１００４９)摘㊀要:对连续纤维增强热塑性复合材料(ＣＦＲＴＰＣｓ)进行３Ｄ打印能够实现无模具快速制造ꎬ扩展增材制造的实际应用ꎮ为进一步提高３Ｄ打印连续碳纤维增强复合材料制件的性能ꎬ采用热塑性上浆剂对干碳纤维进行上浆处理ꎬ以尼龙６(ＰＡ６)为基体打印连续碳纤维增强复合材料ꎬ对比了上浆前后碳纤维表面性质及复合材料力学和界面性能ꎮ结果表明ꎬ上浆后碳纤维表面极性官能团增加ꎬ纤维与树脂浸润性改善ꎻ纤维表面粗糙度增加ꎬ纤维与树脂的机械结合力增强ꎻ上浆后碳纤维增强ＰＡ６复合材料较原始碳纤维增强ＰＡ６复合材料层间剪切强度提高４２ ２％ꎬ层间结合增强ꎬ弯曲强度提高了８２％ꎬ弯曲模量提高２ ４６倍ꎻ３Ｄ打印的上浆后碳纤维增强ＰＡ６复合材料试样断面上有明显纤维拔出现象ꎬ界面性能显著改善ꎮ关键词:３Ｄ打印ꎻ碳纤维ꎻ上浆ꎻ界面ꎻ力学性能ꎻ复合材料ꎻ尼龙６基体中图分类号:ＴＢ３３２ꎻＴＱ３２７ ３㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１６７４－３９６２(２０２０)０５－０３４９－０７ＳｉｚｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒｆｏｒ３ＤＰｒｉｎｔｉｎｇａｎｄＩｔｓＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＺＨＡＮＧＭａｎｙｕꎬＬＩＵＴｅｎｇｆｅｉꎬＴＩＡＮＸｉａｏｙｏｎｇꎬＬＩＤｉｃｈｅｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉ ａｎ７１００４９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ(ＣＦＲＴＰＣｓ)ｂｙ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒａｐｉｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｒｔｓｗｉｔｈｏｕｔｍｏｌｄａｎｄｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒａ￣ｄｏｐｔｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓｉｚｉｎｇａｇｅｎｔｔｏｓｉｚｅｄｒｙｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎬａｎｄｐｒｉｎｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｎｙ￣ｌｏｎ６(ＰＡ６)ａｓｔｈｅｍａｔｒｉｘꎬａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｓｉｚｉｎｇａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｏｌａｒｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｒｏｕｐｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｆｉｂｅｒａｎｄｒｅｓｉｎｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｄｈｅｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｆｉｂｅｒａｎｄｒｅｓｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄ.ＴｈｅｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＡ６ｃｏｍｐｏｓ￣ｉｔｅｓｗａｓ４２ ２％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｎｏｎ￣ｓｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄꎻｔｈｅｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒｂｏｎｄｉｎｇｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄꎬｔｈｅｂｅｎ￣ｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ８２％ꎬａｎｄｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｍｏｄｕｌｕｓｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ２ ４６ｔｉｍｅｓ.Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓｈａｄｏｂｖｉｏｕｓｆｉｂｅｒｐｕｌｌｏｕｔｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎꎬａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:３ＤｐｒｉｎｔｉｎｇꎻｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻｓｉｚｉｎｇꎻｉｎｔｅｒｆａｃｅꎻｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙꎻｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎻＮｙｌｏｎ６ｍａｔｒｉｘ1㊀前㊀言碳纤维因其具有高比强度和高模量的优异性能ꎬ已迅速发展成为重要的增强体纤维材料ꎮ在碳纤维增强复合材料中ꎬ树脂基复合材料具有轻质高强及可设计性等优势[１]ꎬ使其能够作为重要的承力部件ꎬ大大减轻产品的质量ꎬ降低成本ꎬ减少能耗ꎬ因而被广泛应用在航空航天㊁汽车以及军事工业等领域[２]ꎮ相比于热固性树脂基复合材料ꎬ热塑性树脂基复合材料更加具有竞争优势ꎬ中国材料进展第３９卷比如韧性大㊁损伤容限性好㊁易成型加工等[３]ꎬ因此纤维增强热塑性复合材料发展迅猛ꎮ与短纤维和长纤维增强热塑性复合材料相比ꎬ连续纤维增强热塑性复合材料具有更加优异的力学性能ꎬ能够作为结构材料使用ꎬ再加上轻质㊁耐腐蚀等优点ꎬ能够有效替代钢材ꎬ进一步扩大了复合材料的应用领域[４]ꎮ然而ꎬ传统的连续纤维增强热塑性复合材料成型工艺复杂㊁制作成本高且无法实现复杂构件的快速制造ꎬ在很大程度上限制了这种材料的应用范围[５]ꎮ随着３Ｄ打印技术发展成熟及应用领域的不断扩大ꎬ３Ｄ打印技术被创新应用到连续纤维增强热塑性复合材料的制造中ꎮ连续纤维增强热塑性复合材料３Ｄ打印是一种３Ｄ打印工艺与复合材料工艺交叉融合的创新技术ꎬ该技术同时集成了复合材料制备与成形工艺ꎬ继承了３Ｄ打印摆脱模具自由成形的特性ꎬ降低了复合材料的加工成本ꎬ是一种具有突破性意义的新型复合材料制造技术ꎮ２０１６年ꎬ美国ＭａｒｋＦｏｒｇｅｄ公司提出了以纤维预浸丝为原材料的连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料３Ｄ打印工艺与装备ꎬ实现了连续纤维增强尼龙复合材料制造[６]ꎮ同年ꎬ西安交通大学田小永教授团队提出了基于原位熔融浸渍与成形一体化的连续纤维增强热塑性复合材料(ＣＦＲＴＰＣｓ)３Ｄ打印工艺方法ꎬ原理如图１所示ꎮ该工艺以纤维和树脂丝材为原料ꎬ连续纤维被熔融树脂浸渍包覆形成复合材料预浸丝后从３Ｄ打印机喷嘴处挤出ꎬ冷却固化ꎬ层层累积成型[７]ꎮ２０１６年ꎬ东京理科大学研究人员进行连续碳纤维增强聚乳酸(ＰＬＡ)的３Ｄ打印工艺研究ꎬ所制备复合材料试样拉伸强度达２００ＭＰａꎬ弹性模量达２０ＧＰａ[８]ꎮ２０１８年ꎬ上海大学张海光研究团队将纤维与熔融树脂在过螺杆挤出机的压力下浸渍形成预浸丝ꎬ然后制备３Ｄ打印连续纤维增强树脂复合材料[９]ꎮ图１㊀３Ｄ打印ＣＦＲＴＰＣｓ工艺原理图[５]Ｆｉｇ １㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ３ＤｐｒｉｎｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒＣＦＲＴＰＣｓ[５]现阶段的研究主要集中在对３Ｄ打印工艺参数优化方面ꎮ以３Ｄ打印连续碳纤维增强尼龙复合材料为例ꎬ可以通过对工艺参数如温度㊁层厚㊁扫描间距的调控ꎬ获得宏观层面力学性能较高的制件ꎮ然而ꎬ从复合材料界面结构分析ꎬ影响３Ｄ打印复合材料构件力学性能的主要原因在于ꎬ碳纤维丝束内部并没有与树脂进行充分浸润(如图２)ꎬ形成了弱界面结合ꎬ使得复合材料的实际力学强度远小于理论强度ꎮ碳纤维与树脂的界面问题很难通过改变３Ｄ打印工艺参数来改善ꎬ采用熔融预浸工艺和３Ｄ打印技术制备的连续纤维复合材料界面和力学性能有所改善ꎬ但未解决界面结合的根本问题ꎬ且制备预浸丝工艺复杂㊁成本高ꎬ降低了３Ｄ打印复合材料技术优势ꎮ图２㊀３Ｄ打印碳纤维/ＰＬＡ复合材料断面ＳＥＭ照片Ｆｉｇ ２㊀ＳｅｃｔｉｏｎＳＥＭｉｍａｇｅｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ＰＬＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ文献调研表明ꎬ对碳纤维增强树脂基复合材料界面改善主要通过碳纤维表面处理来实现[１０]ꎮ碳纤维的表面处理方法大致可以归结为涂层法㊁热处理法㊁氧化法㊁接枝法㊁上浆法等[１１ꎬ１２]ꎮ上浆法具有碳纤维表面易于处理㊁环境限制小等优势而被广泛采用ꎮ上浆剂可提高纤维的集束性ꎬ改善纤维表面的浸润性能ꎬ缩短树脂浸润时间ꎬ同时也能起到类似偶联剂作用ꎬ提高纤维与树脂之间的化学与机械结合水平ꎬ在碳纤维与树脂基体间形成良好的过渡界面区域ꎬ改善复合材料界面性能ꎬ使得碳纤维增强复合材料的综合性能得到极大提高[１３ꎬ１４]ꎮ因此ꎬ针对３Ｄ打印连续纤维增强尼龙６(ＰＡ６)复合材料界面结合不足的缺点ꎬ本文提出一种适用于３Ｄ打印的碳纤维上浆工艺ꎬ系统研究了上浆工艺对碳纤维表面形态结构及３Ｄ打印连续碳纤维增强复合材料力学性能的影响规律ꎮ2㊀实㊀验2 1㊀碳纤维上浆工艺及复合材料制备目前商业化碳纤维材料表面涂覆热固性环氧类上浆剂ꎬ这种环氧类上浆剂与３Ｄ打印所用热塑性基体材料无法兼容ꎬ增强体与基体不能良好地结合在一起ꎬ在受力时碳纤维轻易地从树脂基体上脱落ꎮ本研究采用一种乳液型上浆剂(型号ＨｙｄｒｏｓｉｚｅＰＡ８４５Ｈꎬ美国麦可门公司)ꎬ其主要成分是尼龙(ＰＡ８４５Ｈ)颗粒ꎬ与基体是同族物质ꎬ满足化学层面的 相似相容 ꎮ采用日本东丽公司Ｔ３００Ｂ碳纤维ꎬ其表面涂覆环氧类上浆剂ꎮ要解决碳纤维的上０５３㊀第５期张曼玉等:面向３Ｄ打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响浆及后续与树脂的界面结合ꎬ首先需要去除环氧类上浆剂ꎬ为后续碳纤维的上浆工艺做准备ꎮ丙酮是环氧类材料的良好溶剂ꎬ将原始碳纤维(ＶＣＦ)在丙酮溶液充分浸泡４８ｈ后ꎬ以去离子水清洗数次去除碳纤维表面残留的丙酮ꎮ将清洗后的碳纤维放置在电鼓风干燥箱内恒温１００ħ干燥２ｈꎮ最后在乳液型上浆剂中浸泡２４ｈꎬ使碳纤维充分挂浆后在室温下固化成型ꎬ得到３Ｄ打印专用上浆纤维(ＳＣＦ)ꎬ其制备过程如图３所示ꎮ采用陕西斐帛科技有限公司ＣＯＭＢＴ￣１型连续纤维复合材料３Ｄ打印机ꎬ分别打印ＶＣＦ和ＳＣＦ增强ＰＡ６复合材料样件ꎬ采用如表１所示的工艺参数ꎬ打印出纤维体积含量为１５ ８％的连续碳纤维/ＰＡ６复合材料力学性能测试标准件ꎮ图３㊀碳纤维上浆工艺及复合材料制备示意图Ｆｉｇ ３㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｉｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ表１㊀连续碳纤维/ＰＡ６复合材料３Ｄ打印参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ３ＤｐｒｉｎｔｉｎｇｆｏｒＣＦ/ＰＡ６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓＰｒｉｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬＴ/ħＦｅｅｄｒａｔｅꎬＦ/(ｍｍ/ｍｉｎ)ＨａｔｃｈｓｐａｃｉｎｇꎬＨ/ｍｍＬａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬＬ/ｍｍＶａｌｕｅ２５０１５００.３１2 2㊀性能表征２ ２ １㊀上浆碳纤维表面性质测试采用美国ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ公司ＮｉｃｏｌｅｔｉＳ５０型红外光谱仪研究ＶＣＦ和ＳＣＦ的表面化学成分ꎬ红外光谱波数区域为４００~６０００ｃｍ－１ꎮ将ＶＣＦ在索氏提取装置中７５ħ沸腾丙酮回流７２ｈꎬ提取ＶＣＦ表面上浆剂ꎬ将其制成透射溴化钾压片ꎬ后测试红外光谱ꎮ利用全反射红外光谱法直接测试ＳＣＦ的表面化学成分ꎮ采用美国ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ公司ＥＳＣＡＬＡＢ２５０Ｘｉ型号Ｘ射线光电子能谱(ＸＰＳ)仪ꎬ对上浆前后碳纤维束样品进行全谱扫描ꎬ确定样品表面的元素种类ꎬ并分析各元素含量变化ꎮ采用美国ＩＮＮＯＶＡ型号原子力显微镜(ＡＦＭ)对上浆前后碳纤维表面形貌进行观测ꎬ将碳纤维单丝固定在试样台上ꎬ采用非接触式方法表征纤维表面三维形貌ꎬ扫描范围为１μｍˑ１μｍꎮ２ ２ ２㊀上浆碳纤维增强尼龙复合材料力学性能测试采用深圳世纪天元公司ＣＭＴ４３０４型多功能静力学实验机对３Ｄ打印复合材料样件进行拉伸性能测试ꎬ根据ＧＢ/Ｔ１４４７ ２００５采用挤塑塑料拉伸性能的测试方法进行测试[１５]ꎬ每组测试样件５个ꎬ拉伸速度为２ｍｍ/ｍｉｎꎮ弯曲性能测试根据国标ＧＢ/Ｔ１４４９ ２００５每组测试样件５个[１６]ꎬ压头速度为２ｍｍ/ｍｉｎꎮ层间剪切强度(ＩＬＳＳ)测试根据国标ＪＣ/Ｔ７７３ ２０１０进行[１７]ꎮ采用河北承德金和仪器公司ＸＪＪ￣５０简支梁冲击试验机进行冲击试验ꎬ根据国标ＧＢ/Ｔ１０４３３ １９９３采用挤塑冲击性能的测试方法[１８]ꎬ每组测试样件５个ꎮ以上测试的样件如图４所示ꎮ２ ２ ３㊀上浆碳纤维增强尼龙复合材料断面形貌表征为研究上浆前后复合材料界面性能ꎬ将力学破坏后复合材料断面喷金ꎬ采用日立公司ＳＵ￣８０１０型场发射扫描电子显微镜观测断面组织形貌ꎮ3㊀实验结果与分析3 1㊀上浆工艺对碳纤维表面性质影响影响树脂基复合材料力学性能的重要因素是碳纤维与树脂基体的界面微观结构及界面结合强度ꎬ而碳纤维１５３中国材料进展第３９卷图４㊀３Ｄ打印连续纤维/ＰＡ６复合材料样件:(ａ)拉伸性能测试件ꎬ(ｂ)弯曲性能测试件ꎬ(ｃ)层间剪切强度测试件ꎬ(ｄ)冲击性能测试件Ｆｉｇ ４㊀３ＤｐｒｉｎｔｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆＣＦ/ＰＡ６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ:(ａ)ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐ￣ｅｒｔｙｔｅｓｔꎬ(ｂ)ｂｅｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｔｅｓｔꎬ(ｃ)ＩＬＳＳｐｒｏｐｅｒｔｙｔｅｓｔꎬ(ｄ)ｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙｔｅｓｔ表面性质包括表面活性官能团和表面粗糙度等影响界面结合强度ꎮ图５为碳纤维上浆处理前后的红外光谱ꎬ在２９２０和２８５０ｃｍ－１附近的吸收峰分别对应甲基和亚甲基的伸缩振动ꎬＶＣＦ的红外光谱在１２５０ꎬ９１５和８３０ｃｍ－１处吸收峰表明环氧化合物的存在ꎬ在３４２０ｃｍ－１处的峰值为Ｏ Ｈ键的伸缩振动ꎮＳＣＦ的红外光谱出现两个强峰ꎬ分别为１６４０ｃｍ－１处的Ｃ Ｏ的伸缩振动和１５４０ｃｍ－１处的Ｎ Ｈ的弯曲振动ꎬ３３００ｃｍ－１处吸收峰对应着Ｎ Ｈ的伸缩振动ꎬ这些吸收峰为酰胺基官能团的特征峰ꎬ表明ＳＣＦ表面成功涂覆ＰＡ８４５Ｈ上浆剂ꎮ图５㊀碳纤维上浆前后的红外光谱Ｆｉｇ ５㊀ＩｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＶＣＦａｎｄＳＣＦ从图６的ＸＰＳ谱图和表２的统计可以看出ꎬ上浆后碳纤维表面的Ｏ含量由１７ ３８％降低到９ ４６％ꎬＮ含量由０ ５％升高到７ ３８％ꎬ初步确定是因为ꎬ在上浆处理的过程中用丙酮浸泡去掉了纤维表面的环氧类热固性上浆剂ꎬ导致Ｏ元素含量下降ꎻ在经过上浆剂ＰＡ８４５Ｈ浸泡后ꎬ碳纤维表面引入了酰胺基使得Ｎ元素含量升高ꎮ上浆后的碳纤维表面酰胺基含量升高ꎬ表明表面活性官能团含量升高ꎬ将增加碳纤维与树脂基体的界面结合力ꎮ图６㊀碳纤维上浆前后ＸＰＳ谱图Ｆｉｇ ６㊀ＸＰＳｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＶＣＦａｎｄＳＣＦ表２㊀碳纤维上浆前后主要元素含量变化Ｔａｂｌｅ２㊀ＣｏｎｔｅｎｔｓｏｆｍａｉｎｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅＶＣＦａｎｄＳＣＦＥｌｅｍｅｎｔｓＣ１ｓ/％Ｏ１ｓ/％Ｎ１ｓ/％ＶＣＦ８２.１１１７.３８０.５ＳＣＦ８３.１６９.４６７.３８上浆前后碳纤维的ＡＦＭ照片(图７)显示ꎬ丙酮浸泡除去了原始纤维表面的环氧上浆剂ꎬ经上浆处理后纤维束表面上浆剂附着使纤维表面沟壑变浅ꎻ纤维表面粗糙度增大ꎬ可能是因为上浆剂中存在无机粒子ꎬ从图６可以看出上浆后引入Ｓｉ元素ꎮ这有利于纤维与基体的浸润和机械啮合ꎬ减少纤维与基体之间的空隙ꎬ提高界面结合力ꎮ3 2㊀上浆工艺对复合材料力学性能的影响３ ２ １㊀对层间剪切强度的影响层间剪切强度是复合材料界面结合性能的综合宏观体现ꎬ既能反映树脂与纤维间的粘结界面结合性能ꎬ又能反映层间界面结合性能ꎮ两种复合材料层间剪切强度测试结果如图８ａ所示ꎬＶＣＦ/ＰＡ６平均层间剪切强度为１８ ０４ＭＰａꎬＳＣＦ/ＰＡ６的平均层间剪切强度增加到２５ ６５ＭＰａꎬ提升４２ ２％左右ꎮ图８ｂ为两种复合材料短梁剪切试验中的应力￣应变曲线ꎬ对比发现ＳＣＦ/ＰＡ６的具有更大的斜率ꎬ在同一应力条件下发生的应变更小ꎬ说明ＳＣＦ/ＰＡ６传递外部载荷的效率增加ꎬ纤维能更加有效地起到增强的作用ꎬ样件抵抗变形的能力提高ꎮ此外ꎬＶＣＦ/ＰＡ６样件在承载过程中首先发生线弹性变形ꎬ当应变超过６ ５％左右时开始出现屈服变形ꎬ应力增加速度变２５３㊀第５期张曼玉等:面向３Ｄ打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响图７㊀碳纤维上浆前后的ＡＦＭ照片:(ａ)ＶＣＦꎬ(ｂ)ＳＣＦＦｉｇ ７㊀ＡＦＭｉｍａｇｅｓｏｆＶＣＦ(ａ)ａｎｄＳＣＦ(ｂ)缓ꎬ可能的原因是复合材料内部开始逐渐发生纤维拔出现象ꎻ而ＳＣＦ/ＰＡ６的应力￣应变关系都近似为线弹性关系ꎬ说明树脂与纤维之间的脱粘程度比较小ꎮ两种复合材料的应力￣应变曲线末端都存在一段锯齿状的变化趋势ꎬ这是由于样件发生了层间分离破坏ꎬ不同的是ＶＣＦ/ＰＡ６在发生第一次层间破坏后ꎬ在很短的时间内就发生了彻底的断裂失效ꎻ而ＳＣＦ/ＰＡ６样件发生了多次层间破坏ꎬ但样件并没有立即失效ꎬ而是仍能够以几乎相同的趋势保持应力继续增加ꎮ这说明ＳＣＦ/ＰＡ６的层间结合性能也得到了改善ꎬ局部的层间分离破坏并未导致整体的失效ꎬ未发生破坏的区域仍能够继续承担外部载荷ꎬ而ＶＣＦ/ＰＡ６的层间分离严重ꎬ可能发生了应力集中等现象ꎬ加剧了裂纹的扩展ꎮ综上所述ꎬ短梁剪切试验结果初步验证了上浆表面处理工艺对３Ｄ打印的ＣＦＲＴＰｓ复合材料层间结合性能和树脂与纤维之间的界面性能都有所改善ꎮ３ ２ ２㊀对其他力学性能的影响对两种３Ｄ打印复合材料的弯曲性能㊁拉伸性能及无缺口冲击强度也分别进行测试对比ꎬ结果如图９所示ꎮ采用上浆处理后的碳纤维ꎬ平均拉伸强度由２３５ ６２提高到３０４ １１ＭＰａꎬ平均拉伸模量由２５ ２１提高到３９ ０８ＭＰａꎻ平均弯曲强度由２２９ ３２提高到４１７ ４７ＭＰａꎬ提高了８２％ꎻ平均弯曲模量从９ ９提高到３４ ２３ＧＰａꎬ提高了２４６％ꎻ图８㊀３Ｄ打印ＶＣＦ/ＰＡ６和ＳＣＦ/ＰＡ６复合材料短梁剪切试验结果:(ａ)层间剪切强度(ＩＬＳＳ)ꎬ(ｂ)应力￣应变曲线Ｆｉｇ ８㊀Ｔｈｅｓｈｏｒｔｂｅａｍｓｈｅａｒｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆ３ＤｐｒｉｎｔｅｄＶＣＦ/ＰＡ６ａｎｄＳＣＦ/ＰＡ６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ:(ａ)ｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈꎬ(ｂ)ｓｔｒａｉｎ￣ｓｔｒｅｓｓｃｕｒｖｅｓ图９㊀３Ｄ打印ＶＣＦ/ＰＡ６和ＳＣＦ/ＰＡ６复合材料的力学性能:(ａ)拉伸性能ꎬ(ｂ)弯曲性能ꎬ(ｃ)冲击强度Ｆｉｇ ９㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ３ＤｐｒｉｎｔｅｄＶＣＦ/ＰＡ６ａｎｄＳＣＦ/ＰＡ６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ:(ａ)ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬ(ｂ)ｆｌｅｘｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬ(ｃ)ｉｍｐａｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈ３５３中国材料进展第３９卷平均冲击强度由３０ ０７提高到３２ ９２Ｊ/ｍ２ꎮ综上ꎬ采用上浆处理后的碳纤维的３Ｄ打印复合材料力学性能普遍提高ꎮ纤维增强复合材料在加载时除了纤维与基体受力外ꎬ界面起到了非常重要的作用ꎬ只有通过界面的应力传递才能使纤维与基体两相起到协同作用ꎮ上浆工艺处理使碳纤维表面活性官能团增加ꎬ使得纤维与树脂浸润性增加ꎬ界面结合力增加ꎮ同时ꎬ碳纤维表面上浆剂的附着填补了纤维与树脂的空隙ꎬ减少复合材料内部缺陷ꎬ减少复合材料在受力时的应力集中ꎮ3 3㊀上浆工艺对复合材料界面性能的影响图１０为上浆工艺处理前后的碳纤维增强尼龙复合材料的断面ＳＥＭ照片ꎮ图１０ａ~１０ｃ为ＶＣＦ/ＰＡ６的断面形貌ꎬ从图１０ａ可以看出ꎬ由于打印过程中压力不足以及纤维与基体浸润时间短ꎬ树脂并未进入原始碳纤维束内部ꎬ基体与增强体之间只是形成了部分原始接触面ꎬ且ＶＣＦ表面环氧上浆剂与热塑性树脂不相容ꎬ从而导致复合材料界面处产生大量空隙ꎬ层间结合性能差ꎬ在受力时发生层间剥离ꎮ从图１０ｂ中可以看出复合材料纤维束内部并没有树脂进入ꎬ基体与纤维体之间的浸润性不足ꎬ且纤维束相对独立ꎬ在外载荷作用下应力无法在界面处传递ꎬ导致复合材料力学性能差ꎮ图１０ｃ显示ＶＣＦ表面光滑㊁无残留树脂ꎬ纤维与树脂间的粘接力不足ꎬ在受力过程中基体所受的力无法传递到增强体上ꎮ图１０ｄ~１０ｆ为ＳＣＦ/ＰＡ６的断面形貌ꎮ图１０ｄ显示复合材料中纤维束内部浸润充足ꎬ很大程度上减少纤维束内部空隙的存在ꎬ提高复合材料层间结合性能ꎮ从图１０ｅ可以更清晰地看出树脂充分包裹纤维单丝ꎬ纤维与树脂间形成良好界面ꎬ外载荷作用在复合材料上时ꎬ应力通过界面传递到增强体上ꎬ大大提高了复合材料的力学性能ꎮ图１０ｆ显示纤维束上有残留的树脂ꎬ纤维与树脂界面处形成化学键与物理吸附的协同作用ꎬ界面结合力增强ꎬ在复合材料变形过程中起到传递应力和阻碍裂纹扩展的作用ꎮ图１０㊀３Ｄ打印ＶＣＦ/ＰＡ６(ａ~ｃ)和ＳＣＦ/ＰＡ６(ｄ~ｆ)复合材料的断面ＳＥＭ照片Ｆｉｇ １０㊀ＴｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ３ＤｐｒｉｎｔｅｄＶＣＦ/ＰＡ６(ａ~ｃ)ａｎｄＳＣＦ/ＰＡ６(ｄ~ｆ)ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ㊀㊀对上浆前后的碳纤维增强复合材料的断面形貌对比可知ꎬ上浆后碳纤维增强的复合材料中ꎬ纤维与树脂浸渍良好且纤维与树脂间结合力增大ꎮ碳纤维经上浆处理后去除了原始纤维表面热固性上浆剂ꎬ引入热塑性上浆剂ꎬ其与基体相似相容ꎬ有利于纤维与树脂良好浸渍ꎻ同时ꎬ在打印过程中碳纤维表面热塑性上浆剂融化可填补碳纤维束内部空隙ꎬ增强了层间结合ꎮ4㊀结㊀论对碳纤维用含尼龙颗粒的热塑性上浆剂处理后ꎬ去除了其表面的热固性上浆剂且引入极性酰胺基ꎬ碳纤维表面热塑性上浆剂与基体相似相容ꎬ有助于提高纤维与树脂的浸润性ꎬ表面粗糙度增加ꎬ有利于纤维与树脂的机械啮合ꎮ３Ｄ打印制备的上浆后碳纤维增强尼龙复合材料层间剪切强度提高４２ ２％ꎬ复合材料层间结合性能及纤维与树脂粘接性能改善ꎬ力学性能普遍提高ꎬ弯曲力学性能提高最为明显ꎮ上浆后碳纤维增强复合材料的断面组织照片显示ꎬ纤维与树脂充分浸润ꎬ复合材料断面有明显纤维拔出现象ꎬ纤维与树脂界面结合力增加ꎮ参考文献㊀References[１]㊀徐秋红ꎬ谭臻ꎬ闫烨.工程塑料应用[Ｊ]ꎬ２０１４ꎬ４２(０７):１２２－１２６.４５３㊀第５期张曼玉等:面向３Ｄ打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响ＸＵＱＨꎬＴＡＮＺꎬＹＡＮＹ.ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｌａｓｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ]ꎬ２０１４ꎬ４２(０７):１２２－１２６.[２]㊀益小苏ꎬ张明ꎬ安学锋.工程塑料应用[Ｊ]ꎬ２００９ꎬ３７(１０):７２－７６.ＹＩＸＳꎬＺＨＡＮＧＭꎬＡＮＸＦ.ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｌａｓｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ]ꎬ２００９ꎬ３７(１０):７２－７６.[３]㊀田振生ꎬ刘大伟ꎬ李刚.玻璃钢/复合材料[Ｊ]ꎬ２０１３ꎬ１０(Ｓ２):１１９－１２４.ＴＩＡＮＺＳꎬＬＩＵＤＷꎬＬＩＧ.ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ/ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａ￣ｔｅｒｉａｌ[Ｊ]ꎬ２０１３ꎬ１０(Ｓ２):１１９－１２４.[４]㊀张瑜ꎬ张伟ꎬ胡天辉.电力机车与城轨车辆[Ｊ]ꎬ２０１５ꎬ３８(Ｓ１):７０－７３.ＺＨＡＮＧＹꎬＺＨＡＮＧＷꎬＨＵＴＨ.ＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＣｉｔｙＲａｉｌＶｅｈｉｃｌｅ[Ｊ]ꎬ２０１５ꎬ３８(Ｓ１):７０－７３.[５]㊀ＴＩＡＮＸꎬＬＩＵＴＦꎬＹＡＮＧＣＣꎬｅｔａｌ.ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ:ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[Ｊ]ꎬ２０１６ꎬ８８:１９８－２０５.[６]㊀ＫＬＩＦＴＦＶＤꎬＫＯＧＡＹꎬＴＯＤＯＲＯＫＩＡꎬｅｔａｌ.ＯｐｅｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ[Ｊ]ꎬ２０１６ꎬ６(１):１８－２７.[７]㊀田小永ꎬ刘腾飞ꎬ杨春成.航空制造技术[Ｊ]ꎬ２０１６(１５):２６－３１.ＴＩＡＮＸＹꎬＬＩＵＴＦꎬＹＡＮＧＣＣ.ＡｖｉａｔｉｏｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ]ꎬ２０１６(１５):２６－３１.[８]㊀ＭＡＴＳＵＺＡＫＩＲꎬＵＥＤＡＭꎬＮＡＭＩＫＩＭꎬｅｔａｌ.ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｐｏｒｔｓ[Ｊ]ꎬ２０１６ꎬ６(１):２３０５８.[９]㊀ＨＵＱꎬＤＵＡＮＹꎬＺＨＡＮＧＨꎬｅｔａｌ.ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ[Ｊ]ꎬ２０１８ꎬ５３(３):１８８７－１１９８.[１０]ＫＡＲＧＥＲ￣ＫＯＣＳＩＳＪꎬＭＡＨＭＯＯＤＨꎬＰＥＧＯＲＥＴＴＩＡ.ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ[Ｊ]ꎬ２０１５ꎬ７３(１):１－４３.[１１]张雅璐.国产碳纤维二次上浆工艺及性能研究[Ｄ].天津:天津工业大学ꎬ２０１６.ＺＨＡＮＧＹＬ.ＴｈｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＣｈｉｎａＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｉｚｉｎｇ[Ｄ].Ｔｉａｎｊｉｎ:ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１６. [１２]马小龙.乳液型碳纤维上浆剂的制备与性能研究[Ｄ].济南:济南大学ꎬ２０１６.ＭＡＸＬ.ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＥｍｕｌｓｉｏｎＴｙｐｅＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＳｉｚｉｎｇＡｇｅｎｔ[Ｄ].Ｊｉｎａｎ:ＪｉｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１６.[１３]刘赋瑶ꎬ董余兵ꎬ傅雅琴.复合材料学报[Ｊ]ꎬ２０１７ꎬ３４(１０):２１５６－２１６３.ＬＩＵＦＹꎬＤＯＮＧＹＢꎬＦＵＹＱ.ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉｃａ[Ｊ]ꎬ２０１７ꎬ３４(１０):２１５６－２１６３.[１４]张焕侠.碳纤维表面和界面性能研究及评价[Ｄ].上海:东华大学ꎬ２０１４.ＺＨＡＮＧＨＸ.ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＳｕｒｆａｃｅａｎｄＩｎ￣ｔｅｒｆａｃｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ[Ｄ].Ｓｈａｎｇｈａｉ:ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１４. [１５]中国国家标准化管理委员会(标准制定单位).纤维增强塑料拉伸性能试验方法:ＧＢ/Ｔ１４４７ ２００５[Ｓ].北京:中国标准出版社ꎬ２００５.ＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｅｏｐｌｅ ｓＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＣｈｉｎａ.Ｆｉｂｅｒ￣ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＴｅｎｓｉｌｅＰｒｏｐ￣ｅｒｔｉｅｓ:ＧＢ/Ｔ１４４７ ２００５[Ｓ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＣｈｉｎａＳｔａｎｄａｒｄｓＰｒｅｓｓꎬ２００５. [１６]中国国家标准化管理委员会(标准制定单位).纤维增强塑料弯曲性能试验方法:ＧＢ/Ｔ１４４９ ２００５[Ｓ].北京:中国标准出版社ꎬ２００５.ＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｅｏｐｌｅ ｓＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＣｈｉｎａ.Ｆｉｂｅｒ￣ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＦｌｅｘｕｒａｌＰｒｏｐ￣ｅｒｔｉｅｓ:ＧＢ/Ｔ１４４９ ２００５[Ｓ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＣｈｉｎａＳｔａｎｄａｒｄｓＰｒｅｓｓꎬ２００５. [１７]中国国家标准化管理委员会(标准制定单位).纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度:ＪＣ/Ｔ７７３ ２０１０[Ｓ].北京:中国标准出版社ꎬ２０１０.ＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｅｏｐｌｅ ｓＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＣｈｉｎａ.Ｆｉｂｅｒ￣ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＡｐｐａｒｅｎｔＩｎ￣ｔｅｒｌａｍｉｎａｒＳｈｅａｒＳｔｒｅｎｇｔｈｂｙＳｈｏｒｔ￣ＢｅａｍＭｅｔｈｏｄ:ＪＣ/Ｔ７７３ ２０１０[Ｓ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＣｈｉｎａＳｔａｎｄａｒｄｓＰｒｅｓｓꎬ２００５.[１８]中国国家标准化管理委员会(标准制定单位).硬质塑料简支梁冲击试验方法:ＧＢ/Ｔ１０４３ １９９３[Ｓ].北京:中国标准出版社ꎬ１９９３.ＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｅｏｐｌｅ ｓＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＣｈｉｎａ.Ｐｌａｓｔｉｃｓ ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＣｈａｒｐｙＩｍｐａｃｔＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＲｉｇｉｄＭａｔｅｒｉａｌｓ:ＧＢ/Ｔ１０４３ １９９３[Ｓ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＣｈｉｎａＳｔａｎｄａｒｄｓＰｒｅｓｓꎬ１９９３.(编辑㊀惠㊀琼)５５３。
大丝束碳纤维的上浆工艺及其性能研究
different impregnation processes
PAAs 质量分数 / %
0. 1
0. 3
0. 5
0. 7
图 2 不同浸渍工艺下上浆碳纤维的悬垂值
Fig. 2 Drape value of sized carbon fiber by different
第 4 期 赵新星等. 大丝束碳纤维的上浆工艺及其性能研究
9
2. 2 上浆碳纤维的可加工性能
碳纤维在卷绕、退绕及加工过程中因摩擦导
致部分纤维断开而产生毛丝,这些毛丝不仅影响
碳纤维的力学性能,而且会给碳纤维的后加工工
艺带来困难。 未上浆碳纤维的毛丝量非常大,达
impregnation processes
■—PAAs 质量分数 0. 1%;●—PAAs 质量分数 0. 3%;
▲—PAAs 质量分数 0. 5%;▼—PAAs 质量分数 0. 7%
从图 2 可以看出:随着浸渍时间的延长、上浆
剂浓度的提高,上浆碳纤维的悬垂值均呈上升趋
势,且上浆剂浓度对于悬垂值的影响更为明显;结
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷
8
有限公司制;Quanta-250 型扫描电子显微镜:美国
康塔克默仪器公司制;Escalab 250Xi 型光电子能
研究与开发
合 成 纤 维 工 业, 2 0 2 3 , 4 6 ( 4 ) : 7
CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY
大丝束碳纤维的上浆工艺及其性能研究
碳纤维上浆剂的研究进展
为分散剂形成的一种水溶性上浆剂ꎬ 具有污染小、 成
小颗粒的纤维表面ꎬ 增加了纤维的表面粗糙度ꎬ 改性
本少、 低残留的优点ꎮ 上浆剂使用是根据基体树脂的
后 ＣＦ 的润湿性明显改善ꎮ Ｅ－１ 型和 Ｆ－１ 型 ＣＦｓ 的接
性质来选择的ꎬ 本文综述了近年来碳纤维增强不同基
体树脂复合材料的上浆剂以及上浆剂的改性处理方法
和相对应复合材料的综合力学性能提升情况ꎮ
１ 碳纤维上浆剂的种类
上浆剂使用是根据基体树脂的性质来选择的ꎬ 基
体树脂可划分为热固性树脂 ( 环氧树脂、 乙烯基树
脂等) 和热塑性树脂 ( 聚酰胺、 聚碳酸酯、 聚醚醚
触角与脱纤后相比分别降低了 ３３％ 和 ３６％ ꎮ 此外ꎬ Ｅ
－１ 型 ＣＦ / ＥＰ 复合材料的界面剪切强度 ( ＩＦＳＳ) 从
得到 ＰＥＧ￣ＣＯＯＨꎬ 并 将 其 接 枝 到 环 氧 树 脂 分 子 上ꎬ
酮等) ꎮ 上浆剂分子与树脂基体的化学键合在一定程
通过自乳化的方法制备了水性环氧树脂乳液作为碳纤
性树脂的结构差异大ꎬ 适用于热固性树脂与热塑性树
浆纤维后含氧活性官能团由 ２８ ９９％ 提升至 ４２ ４４％ ꎬ
度上有益于复合材料界面的改善ꎬ 由于热固性与热塑
合力学机械性能下降ꎮ 在特定的碳纤维与基体树脂复
以上的无机非金属纤维材料ꎬ 具有高比强度、 高比模
合情况下ꎬ 界面连接对碳纤维增强复合材料的整体性
量、 耐高温、 耐腐蚀、 导电导热和电磁屏蔽性好等一
能起着至关重要的作用ꎮ 一个良好的界面可以确保较
系列优异性能
[１－２]
ꎮ 由于碳纤维增强树脂复合材料
( ＣＦＲＰ) 具有良好的刚度 － 重量比和强度 － 重量比ꎬ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
上浆剂对碳纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响碳纤维增强热塑性复合材料在汽车行业的大量应用,碳纤维与基体之间的界面问题依然是值得探讨的热门话题。
本文选取高性能碳纤维增强聚丙烯(polypropylene,简称:PP)复合材料,其中碳纤维来源于国内外三家著名公司:J 公司、D公司和Z公司三家供应商的碳纤维。
含原浆碳纤维和热水退浆后(分别经过热水退浆工艺处理)碳纤维以连续纤维直接喂入注塑成型一步法(Direct Fiber Feeding injection Molding,简称:DFFIM)工艺增强PP注塑成六类20%质量分数的碳纤维复合材料。
通过测定不同温度和拉伸速度下的拉伸性能,应用扫描电子显微镜观察拉伸断裂横截面形态,评定热水退浆工艺对碳纤维与PP界面的改善程度,并分析来源(碳纤维供应商)、拉伸速度和温度梯度对拉伸性能的影响。
同时,通过三点弯曲试验,悬臂梁缺口冲击试验评定碳纤维复合材料的弯曲性能和冲击性能,并综合评定三家公司碳纤维复合材料的力学性能差异。
最后,判定时温等效原理是否适用于此次力学试验,以杨氏模量和拉伸强度数据为基础,分别拟合J、D、Z公司样品在25℃下的疲劳寿命。
通过上述实验,可得到以下结论:1 DFFIM成型的Z公司碳纤维增强PP复合材料拉伸强度最高,D公司样品次之,J公司样品偏低,Z公司碳纤维复合材料的拉伸强度比最低的J公司样品提高20%左右,热水退浆后Z公司碳纤维复合材料强度也会提高10%左右。
2 DFFIM成型的J、D公司碳纤维增强PP复合材料杨氏模量相近,都为3.5GPa,高于Z公司样品的2.5GPa,高40%。
3以拉伸强度数据为基础,采用时温等效原理拟合疲劳寿命,发现D公司样品疲劳寿命最长,Z公司样品次之,J公司样品最低,D公司原始碳纤复合材料疲劳寿
命为24年,退浆后疲劳寿命下降,说明原上浆剂匹配PP树脂基体,退浆后导致寿命下降。
4由于不同类型碳纤维复合材料初始模量不一致,根据主机厂安全系数,采用储存模量下降到60%初始模量时间消耗为标准,拟合出D公司样品疲劳寿命
最长,J公司样品次之,Z公司样品最低,D公司下降40%模量时间损耗是其它两个公司的两倍,极大地延长杨氏模量下降,材料刚度变化缓慢,增加材料的使用寿命。
5 SEM电镜图看出,碳纤维上浆剂与PP不匹配时,碳纤维与基体之间间隙过大,拉伸断裂时容易抽拔出来降低其力学性能。
热水退浆后碳纤维流动性增强,
更加均匀分布在PP基体中,减小碳纤维和PP基体之间的间隙,显著提高力学性能。
6 DFFIM成型的D公司碳纤维增强PP复合材料弯曲强度最高,J公司样品次之,Z公司样品最低,具体表现为D公司比J公司高12.6%,比Z公司高达16.8%;
同时Z公司样品冲击强度最高,D公司样品次之,J公司样品最低,具体表现为Z
公司比D公司高69%,比J公司高114%。
7总体来看,J公司碳纤维质量较差,上浆剂与热塑性树脂基体不匹配;D公司碳纤维质量良好,上浆剂与热塑性树脂基体
匹配,综合力学性能比较突出;Z公司碳纤维质量良好,上浆剂与热塑性树脂基体
不匹配。
热水退浆工艺对力学性能较低的材料系统(J、Z公司)改善明显,而对D公司之类性能较高的材料系统,改善效果不是特别明显,说明D公司原有浆料对PP有相当的相容性,可有效改善界面结合性能,而J、Z公司原有浆料有待改进。