中间相沥青基碳纤维与T800H碳纤维复合材料性能对比

田雨华，王象东，王辉，王硕，刘辉

(1.山东瑞城宇航碳纤维产业技术研究院有限公司, 山东 济宁 272000；2.北京化工大学 材料科学与工程学院，北京 100029；3.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042)

0 引言

碳纤维是一种碳元素含量超过95%的特种纤维材料。该材料具有高强、高模、耐腐蚀、耐疲劳、负膨胀、耐热以及导电、导热等优良特性，经常作为结构和功能材料使用[1]。碳纤维按其原料来源一般分为三类：聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维。市场上较为常见的一般为聚丙烯腈基碳纤维，其突出性能是强度高[2]。

中间相沥青基碳纤维是国内最新量产成功的新型特种碳材料，含碳量在99%以上。相比聚丙烯腈碳纤维，其独特之处是具有超高的弹性模量和优异的导热性能[3]，特别适用于制备高导热、高尺寸稳定的结构/功能一体化复合材料构件，对我国大功率通信卫星、高性能SAR天线卫星、高精度遥感卫星和核动力卫星等新型卫星型号，以及高超声速飞行器、核能、新型战略导弹、电子等领域的应用需求具有重要意义[4]。2018年山东瑞城宇航碳纤维产业技术研究院有限公司生产的导热率为600 W/(m·K)高导热中间相沥青碳纤维达到了航天科技集团X院工程运用的要求，用于某型号卫星的可展开热辐射器研制。该型号中间相沥青碳纤维应用评价已通过航天科技X院评审，将于2023年进行应用性飞行试验。

本文利用山东瑞城生产的中间相沥青基碳纤维(6K)预浸料和T800H碳纤维(6K)预浸料通过热压工艺制备了单向复合材料板。通过对其力学和热学测试，对比二者性能差异性，为下游用户对产品认知和应用提供指导和借鉴。

1 实验材料与方法

1.1 原材料

中间相沥青基碳纤维(山东瑞城)预浸料(5182环氧树脂基，面密度120 g/m2)；T800H碳纤维(日本东丽)预浸料(5182环氧树脂基，面密度200 g/m2)，山东瑞城复合材料有限公司；E-44环氧树脂、三乙烯四胺、丙酮(国产)。碳纤维基本性能指标见表1。

表1 中间相沥青基碳纤维和T800H碳纤维(6K)基本性能数据(厂家提供)

1.2 主要设备及仪器

伺服压装机：SDB-101-6T，深圳市赛柏敦自动化设备有限公司(图1)；万能材料试验机：5967型，美国英斯特朗公司；固液两用密度仪：FK-100S，厦门市弗布斯检测设备有限公司；差示扫描量热仪：DSC8000,美国铂金埃尔默股份有限公司；精密电子天平：WXT3TDU，METTLER TOLEDO；激光导热仪：LFA467,德国耐驰仪器制造有限公司；电子数显卡尺：0～300 mm，桂林津广精密量具有限公司；电热真空干燥箱：DZF-6050ABF，天津工兴实验室仪器有限公司。

图1 实验主要设备

1.3 板材制备

将预浸料从冷藏室取出，室温静置一段时间后进行裁剪、铺叠，放入模具，使用伺服压装机分别制备出厚度约1 mm和2 mm两种规格的单向复合板(图2)。

图2 制备的单向碳纤维复合板

1.4 测试方法

复合板体密度测定：采用浮力法(排水法)对复合板的体密度进行测试。板材纤维体积含量和孔隙率测定：参照GB/T 3365—2008测定。复合板性能测试：使用美国instron万能材料试验机测试纤维复合板的拉伸、弯曲、压缩和剪切性能，每组8个试样。复合板拉伸性能：参照GB/T 3354—2014标准测试；弯曲性能：参照GB/T 3356—2014标准测试；压缩性能：参照ASTM D 6641/D 6641 M-16标准测试；层间剪切：参照JC/T 773—2010标准测试。

复材板比热容和轴向导热：制样参照北京航空航天大学王绍凯等人[5]的发明专利，测试导热参照ASTM E1461—2013。

2 结果与分析

2.1 复合板体密度、纤维体积含量和孔隙率分析

复合板体密度、纤维体积含量和孔隙率数据能在一定程度上反映出制备的板材的品质。一般纤维体积含量要求达到60%±3%，孔隙率低于1%。制备板材的相关数据测试结果见表2，可满足后续测试要求。

表2 复合板的体密度、纤维体积含量和孔隙率数据

2.2 复合板的力学性能分析

图3为力学性能测试对应的试样。表3～表6列举了测试的两种板材的0 °方向的拉伸强度和模量、弯曲强度和模量、压缩强度和模量以及层剪强度数据。由测试数据可知，中间相沥青基碳纤维的强度数据比T800H均较低(图4)，但是模量比T800均较高(图5)。与表1厂家提供的两种复丝拉伸强度和模量数据存在相似的差异。

图3 力学性能测试样品

图4 强度对比图

图5 模量对比图

表3 复合板0 °拉伸强度和模量

表4 复合板0 °方向弯曲强度和模量

表5 复合板0 °方向压缩强度和模量

表6 复合板0 °方向层间剪切强度

在树脂基体相同的条件下出现此种现象，从工艺方面是由于中间相沥青基碳纤维生产过程中最终热处理温度远高于聚丙烯腈基碳纤维，使得石墨纤维内的微晶排列更加规整，取向性更加有序，这对提升模量至关重要[6]。而聚丙烯腈基碳纤维为乱层石墨结构，内部空孔隙较大且存在明显皮芯结构，这可能有助于提高其拉伸变形和强度[2]。另外，从与树脂结合方面，由于中间相沥青基碳纤维是超高温石墨化处理，表面基团更少，相比聚丙烯腈基碳纤维，与树脂结合的的难度相对较大。

2.3 复合板的导热性能分析

图6为制备的导热测试样片。导热系数表征物体传递热量的能力，导热系数越高，反映材料散热能力越强。

图6 导热性能测试样品

实验中测试了两种碳纤维复材的轴向(0 °方向)导热系数，中间相沥青基碳纤维复材的轴向导热系数远高于T800H碳纤维复材(表7)。纤维热传导主要依靠晶格波的传递，石墨纤维微晶尺寸较大，微晶结构相对完善，声子的平均自由程随之也较大，并且其沿纤维轴的取向度更高，因此表现出更高的导热能力[7]。

表7 复合板0 °方向导热系数

3 结论

通过中间相沥青基碳纤维复合材料和T800H碳纤维复合材料性能对比发现，T800H碳纤维复合材料有更高的强度，可用于结构件制备和应用；而中间相沥青基碳纤维复合材料主要优势为具备超高模量和高导热系数，可用于结构功能一体化器件制备和应用。