温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

程海霞,孙宝忠

(东华大学 纺织学院，上海 201620)



温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

程海霞,孙宝忠

(东华大学 纺织学院，上海 201620)

摘要：通过束纤维抽拔方法，获得了在不同温度条件下碳纤维/环氧树脂复合材料的载荷-位移曲线.结果表明：随着温度的升高，碳纤维/环氧树脂复合材料抽拔破坏最大载荷值逐渐降低，界面黏结强度降低；碳纤维束拔出位移先增大后减小，在环氧树脂玻璃化转变温度处达到最大值；用扫描电子显微镜观察抽拔后碳纤维束表面发现，随着温度的升高，复合材料的失效模式由界面脱黏转变为基体破坏.

关键词：温度； 碳纤维/环氧树脂复合材料； 束纤维抽拔； 界面强度

复合材料的界面是指从与增强体内部性质不同的各个点开始，直到与基体中性质一致的点组成的区域[1].界面作为复合材料一个重要的微结构, 不仅起着连接增强纤维与树脂基体的“桥梁”作用, 也是外加载荷从基体向增强纤维传递的“纽带”[2].界面性能是影响复合材料力学性能、热学性能等的关键因素，研究复合材料界面性能是研究复合材料性能的基础.

界面问题一直是复合材料性能中的重点研究问题，目前已有学者对碳纤维复合材料界面性能进行了大量研究[3-7]，主要有常温下阳极氧化处理、丙烯酸处理、高温高压氨溶液法、表面沉积碳纳米管等方法对碳纤维表面进行改性，以提高碳纤维复合材料的界面性能.

已有部分学者研究了温度对界面的影响，但直接研究温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的影响却鲜有报道.文献[8]通过微黏法测试玻璃纤维/聚丙烯基复合材料在-40～100℃条件下的界面剪切强度，研究结果表明，随着温度的提高，界面剪切强度呈降低趋势.文献[9]分别测试经相对湿度为95%以及温度为60和70℃处理1200h的玻璃纤维/树脂基、碳纤维/树脂基复合材料层合板界面黏结强度，研究表明，在吸收水分相同的条件下，温度越高则层间剪切强度越低.文献[10]通过微黏法分别测试玻璃纤维/环氧树脂复合材料在20，40，60，80，100，120，150℃的界面黏结强度，试验结果表明，随着温度的提高，复合材料的界面黏结强度呈降低趋势.在-40～70℃条件下，文献[11]测定了纤维布与混凝土间的抗剪切黏结强度，当温度为-40～60℃， 其抗剪切黏结强度变化较小，而当温度达到70℃时，抗剪切黏结强度大幅下降.

纤维拔出试验是最早出现，也是较为直观测定界面参数的方法[1].大部分学者采用单纤维的方法研究界面性能.相较于单纤维，束纤维更接近复合材料中纱线与树脂结合的真实状态.本文通过束纤维抽拔试验，研究温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响.

1试验

1.1试验材料

本文采用T700S-12K型碳纤维(Toray Carbon Fibers America， Inc)和JA-02型环氧树脂(常熟佳发化学有限责任公司)作为试验原材料，采用浇注的方法制作试样，试样固化工艺为90℃(2h)→110℃(1h)→130℃(4h).碳纤维束抽拔测试试样基体尺寸(长×宽×高)为15 mm×10 mm×1 mm.

1.2树脂的热力学性能测试

用动态热机械分析仪(DMA-8000型)对树脂进行热力学性能测试，试样尺寸(长×宽×高)为28.0 mm × 5.5 mm × 2.8 mm，采用单悬臂梁加载模式，加载频率为1Hz,振幅为0.5mm.测试温度为20～220℃,升温速度为3℃/min.此外,为探求加热时间对环氧树脂力学性能的影响,分别在90和210℃两个温度点进行1h扫描测试.

1.3碳纤维束抽拔试验

试验前，先用有限元ABAQUS软件对试样进行传热分析，确定试样达到热平衡的时间为6min.

本文用配备高温试验箱的CZ-8010L型万能试验机(东莞众志检测仪器有限公司)在环境温度为20，50，80，110，140℃下对碳纤维/环氧树脂复合材料进行抽拔试验.测试中试样夹持点到浇注块基体间的距离为4cm，拉伸速度为2mm/min,试样先加热至指定温度放置6min进行热平衡，然后进行拉伸抽拔.在每个温度点下重复试验，最终选取4个试验结果.测试仪器及试样受力示意图分别如图1和2所示.

图1　万能试验机Fig.1　Universal testing machine

图2　抽拔示意图Fig.2　Schematic of pull-out

1.4不同温度下碳纤维/环氧树脂复合材料断面扫描

采用TM 3000型扫描电子显微镜测试在温度20，50，80，110,140℃下进行抽拔后的碳纤维束表面形态.截取长为3mm经抽拔后的碳纤维束试样，用导电胶将试样黏结在试样台上，对试样喷金处理后进行碳纤维束表面状态观察.

2结果与讨论

2.1环氧树脂的热力学性能

图3为环氧树脂的动态热力学分析(DMA)温度扫描曲线.本文根据储能模量曲线的折点确定环氧树脂的玻璃化转变温度约为110℃.由图3可知,随着温度的升高，环氧树脂的储能模量E′降低，在玻璃化转变温度前，E′维持在较高的水平，随后其急剧下降，在130℃时下降至一个很低的平台.损耗模量E″在116℃前急剧上升，随后又急剧下降.根据测试结果可知，环氧树脂力学性能受温度影响很大，在玻璃化转变温度后其刚度急剧下降.

图3　环氧树脂动态热力学分析温度扫描曲线Fig.3　DMA temperature sweep curves of epoxy resin

图4为环氧树脂的DMA时间扫描测试结果.从图4可以看出，在90和210℃这两个温度点下加热1h过程中，在相同温度条件下环氧树脂的储能模量没有明显的变化.由此表明，环氧树脂在加热1h 之内，力学性能基本保持不变，在抽拔试验对试样加热至平衡过程中，可以认为树脂力学性能不随时间的增加而改变.

(a) 90℃

(b) 210℃

2.2不同温度下复合材料的失效模式

图5为通过扫描电子显微镜(SEM)获得的在不同温度下进行抽拔后的碳纤维束表面状态.从图5可以看出，在不同温度下抽拔断口有明显区别.在较低温度下(如20，50℃)进行抽拔后，被拔出的纤维束表面比较光滑，黏附很少的环氧树脂碎片，这表明抽拔导致纤维与树脂发生剥离，因而大量的界面被破坏.随着温度的升高，抽拔出来的纤维表面黏附的基体碎片逐渐增多，断面越来越粗糙，这是因为相比于纤维束和树脂之间的界面强度，基体自身的力学性能随温度升高有更大程度的下降，基体的破坏在整体的抽拔破坏过程中占据了越来越大的份额，在高温140℃时甚至成为主导破坏因素.

(a) 20℃

(b) 50℃

(c) 80℃

(d) 110℃

(e) 140℃

2.3温度对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的影响

图6为在不同温度下碳纤维束抽拔的载荷-位移曲线.

图6　不同温度下碳纤维束抽拔的载荷-位移曲线Fig.6　Load-displacement curves of carbon fiber bundle pull-out at different temperature

由图6可以看出，载荷-位移曲线初始段斜率逐渐上升，然后载荷线性增长，随着位移的增加，载荷很快达到最大值后迅速下降.这主要因为抽拔初始段碳纤维束中的纤维受力不均匀，当所有纤维共同受力时，载荷出现线性增长，界面或基体出现裂纹时，试样产生损伤，裂纹逐步扩展，直至试样完全失效，即载荷达到临界值后急剧下降.在温度110和140℃条件下载荷-位移曲线有明显的屈服段，这主要受树脂基体软化的影响.

图7为不同温度下碳纤维束抽拔最大载荷值.从图7可以看出，碳纤维束最大拔出载荷随温度的升高而下降.在中低温环境下(20，50，80℃)，最大拔出载荷下降幅度相对较小，而在110和140℃高温环境下，最大拔出载荷下降幅度较大.结合图5可知，产生这种现象的主要原因可能在于较低温度时，温度影响碳纤维/环氧树脂界面间的化学键、分子间作用力，随着温度升高界面黏结强度降低，而界面黏结强度的降低是纤维束拔出载荷降低的主要原因；当达到树脂玻璃化转变温度之后，基体力学性能迅速下降，容易产生破坏，故高温状态下基体力学性能的大幅降低成为拔出载荷降低的主导因素.

图7　不同温度下碳纤维束抽拔最大载荷值Fig.7　The peak load of carbon fiber bundle pull-out at different temperature

图8为在不同温度下进行碳纤维束抽拔得到的失效位移-温度曲线.

图8　不同温度下碳纤维束抽拔失效位移Fig.8　The failure displacement of carbon fiber bundle pull-out at different temperature

从图8可以看出，碳纤维束拔出位移随温度的升高先增大后减小，在低于80℃时位移增幅较小，110℃时位移达到最大.这种现象产生的主要原因：碳纤维热稳定性好，温度对碳纤维力学性能的影响可以忽略不计.不同温度下碳纤维束拔出位移的变化主要受基体影响.当试验温度小于树脂的玻璃化转变温度时，树脂基体的模量随温度的升高有所降低，在纤维束拔出时，基体受纤维拉伸作用而产生的变形有所增加，从而导致纤维束抽拔位移随之增大.当试验温度在环氧树脂的玻璃化转变温度左右(110℃)，基体模量大幅下降，抽拔过程产生很大变形，相应位移达到一个较大值.当试验温度在140℃时，环氧树脂已处于高弹态，其模量与强度均很低，树脂强度低容易产生破坏，在抽拔过程中，纤维束容易被抽拔出，其位移相较于110℃反而减小.

3结论

(1) 环氧树脂受温度影响很大，随着温度的升高其储能模量降低，玻璃化转变温度后力学性能大幅下降，但在加热1h之内其性能基本保持不变.

(2) 温度不同，碳纤维/环氧树脂复合材料的失效模式不同，较低温度下是界面脱黏主导的失效模式，随着温度的升高，失效模式逐渐转变为基体破坏主导的失效模式.

(3) 随着温度的升高，碳纤维束抽拔最大载荷值降低，拔出位移先增大后减小，在环氧树脂玻璃化转变温度处拔出位移最大.

(4) 随着温度的升高，碳纤维/环氧树脂复合材料界面黏结强度会受到温度的影响而降低.

参考文献

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文章编号：1671-0444(2016)03-0318-05

收稿日期：2015-06-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272087)

作者简介：程海霞(1990—)，女，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为纺织复合材料界面性能. E-mail:1145998272@qq.com 孙宝忠(联系人)，男，教授，E-mail:sunbz@dhu.edu.cn

中图分类号：TB 332

文献标志码：A

Effects of Temperature on the Interfacial Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites

CHENGHai-xia,SUNBao-zhong

(College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:The load-displacement curves of carbon fiber/epoxy composites under different temperature are measured by fiber bundle pull-out method.The results show that the peak load and interfacial strength of carbon fiber/epoxy composites decrease with the increase of the test temperature, while the failure displacement increases at the first stage and then decreases,the failure displacement reaches the maximum at the glass transition temperature of epoxy resin. The scanning electron microscopy photographs indicate that the failure mode changes from interfacial debonding to matrix damage with the increase of the test temperature.

Key words:temperature； carbon fiber/epoxy composites； fiber bundle pull-out； interfacial strength