纳米改性不同结构碳纤维及其力学性能研究

范文州，吴 薇，盛宏航

(内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080)

根据织造方式的不同，碳纤维材料有机织、针织、编织以及碳纤维预浸布等形式[1]。其中，机织平纹结构织物由于经纬交织，织物坚牢硬挺，弹性较小，密度较低较为轻薄，布面均匀且正反面相同[2]。平纹复合材料板材在使用过程中主要失效形式为界面分层及基体碎裂等[3]。混杂平纹机织玻璃/碳环氧叠层复合材料双悬臂梁在Ⅰ型加载下，裂纹通过富树脂层的扩展比裂纹通过富树脂口袋的扩展产生更粗糙的断口，从而导致更高的能量耗散[4]。为进一步表征机织平纹结构织物典型半球预成形滑动剪切行为进行了试验，实验结果表明随着凹模拐角半径和凸模与凹模间隙的减小，滑模比大于1.0，说明纱线的滑模比增大[5]。在液体复合材料成型(LCM)中，通过高度双曲的凸模几何形状可以形成织物，在成形过程中可能出现不同形式的弊疵，会导致复合材料的力学性能减低[6]。机织平纹结构织物在曲面复合材料上使用更是存在着贴敷性较差，容易滑移的现象。针织双轴向碳纤维织物具有独特的编织结构，能充分发挥组份强度，且各个方向都具有良好的拉伸、弯曲、剪切及耐冲击性能[7-9]。膜材正常使用过程中经常受到各个方向的载荷作用，制备多轴向经编聚酯织物为增强体的流延涂层聚氨酯或聚乙烯膜结构材料，并研究其各向增强的力学特点具有重要的科学和经济意义[10-12]。对多轴向经编织物复合材料的拉伸和弯曲行为进行实验研究表明，四轴和双轴(±45°)试样表现为准各向同性行为，其他层合板表现为各向异性行为[13]。机织平纹结构织物相比针织双轴向碳纤维织物的纱线强度利用率低，针织双轴向碳纤维织物具有明显的结构优势，所以在力学性能上有更多的优势[14]。根据以上研究，本文通过纳米改性优化平纹碳纤维织物与双轴向经编碳纤维织物的力学性能，以期为碳纤维的广泛应用提供数据依据。

1 实验材料与方法

1.1 增强体材料

如图1所示，为两种不同结构的碳纤维织物，其部分参数如表1所示。

表1 不同结构织物部分参数

(a)平纹碳纤维织物

1.2 基体材料

本实验采用环氧树脂胶粘剂(NO.1-692-2/A，NO.1-692-2/B)是双组分耐高温环氧树脂胶。使用时的混合比例为A100:B30，混合时要充分的搅拌均匀。

1.3 纳米材料

ClearstrengthXT100是一种甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)核壳增韧剂。成本低廉，易于分散在大多数液体热固性树脂，剪切速率极低，粘度较低，增韧效果优异且具有优越的机械性能。

1.4 工艺流程

实验采用的是真空辅助成型工艺(VARTM)制备碳纤维复合材料层合板，数控切割标准试样尺寸，流程如图2所示。

图2 真空辅助成型工艺流程

1.5 试样制备

1.5.1 拉伸试样制备

依据GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验办法》标准切割复合材料试样。标准尺寸如图3，表2所示。

图3 拉伸试验试样图

表2 拉伸试样尺寸

1.5.2 弯曲试样制备

依据GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验办法》标准，切割弯曲试样如图4，标准尺寸如表3所示。

图4 弯曲试样图

表3 弯曲试样尺寸

2 结果与分析

2.1 增韧剂用量

表4为试验选取梯度质量分数以及各自梯度值所对应的平均应力值为参考对象。在不同质量分数的Clearstrength XT100下测试碳纤维织物的拉伸弯曲力学性能并以拉伸应力-应变曲为试验对象，图5采用曲线非线性拟合并确定最佳Clearstrength XT100质量分数为2.86%。

表4 不同Clearstrength XT100质量分数平均拉伸强度

(a)拉伸应力-应变拟合函数

纳米改性试剂Clearstrength XT100按最优质量分数2.86%直接添加到环氧树脂体系中，搅拌均匀使用。Clearstrength XT100是一种甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)核壳添加剂粉末，一种非反应性增韧剂，容易分散到环氧树脂体系里并保持高分散率。在热固性系统中提供优异的增韧和机械性能，能够最大程度上提高树脂基体中的增韧剂负载水平，对环氧树脂体系的粘度影响有限并保持较短的分散时间。

2.2 试验及分析

2.2.1 拉伸试验及分析

为检测试样的拉伸强度，利用岛津AGS-X万能测试机(苏州小田元仪器设备有限公司)进行拉伸试验，将向上拉伸夹头的加载速度设置为2mm/min，同时将要使用的数据类型勾选，在实验完成时在电脑上保存该数据备用，选取五组有效数据均值如表5所示。不同碳纤维结构织物改性前后拉伸强度如图6所示。

表5 不同的结构碳纤维织物的拉伸强度数据

图6 不同碳纤维结构织物改性前后的拉伸强度

由图6可知，针对环氧树脂体系，以最优质量分数2.86%的Clearstrength XT100进行纳米改性，对比未改性(含量0%XT100)之前，改性后(含量2.86%XT100)平纹碳纤维织物拉伸强度提高18.7%；双轴向0°方向碳纤维织物拉伸强度提高12.0%；双轴向90°方向碳纤维织物拉伸强度提高12.7%。在相同测试条件下，双轴向不同方向的拉伸强度均高于平纹碳纤维织物的拉伸强度。改性后，平纹的拉伸强度改性效果优于双轴向，但强度仍略低于双轴向碳纤维织物。不同碳纤维结构织物改性前后拉伸应力—应变曲线如图7所示。

图7 不同碳纤维结构织物改性前后拉伸应力-应变曲线

由图7可知，改性前后，不同结构的碳纤维织物拉伸强度在达到比例极限之前均呈现线性指数增长趋势，即随着应力不断增加，应力由基体传递至增强体承载表现出较好的整体性。由曲线的倾斜程度可知，对于双轴向碳纤维织物，改性后弹性模量增大，纳米颗粒在基体以及增强体之间起到了较好的链拉作用，提高了织物面内以及层间的一体性。而平纹碳纤维织物弹性模量均高于改性前后的双轴向织物，这是由于是平纹碳纤维织物经纬纱线按规则交织，交织点多，从而使该复合材料的织物坚牢、硬挺、刚性强大。在改性前后，双轴向织物的拉伸强度均优于平纹碳纤维织物，同时双轴向织物在拉伸试验中也表现较好的变形能力，是由双轴向碳纤维轴向纱线沿着设计角度的平行拉伸排列，从而产生了无挫曲纱层，并利用经编组织结构(经平或编链)沿厚度的走向，把纱层缠绕在一起构成整体布料结构，减少了因平纹结构中产生的纱线相互交结、扭曲而产生的拉伸应力集中现象，使纱线的综合力学性能得以较完全地实现。

2.2.2 弯曲试验及分析

采用三点弯曲检测试样的弯曲强度，下压速度规定2mm/min，选取五组有效数据均值如表6所示。不同碳纤维结构织物改性前后弯曲强度如图8所示。

表6 不同的结构碳纤维织物的弯曲强度数据

图8 不同的碳纤维结构织物改性前后弯曲强度

由图8可知，相对于复合材料拉伸强度，经Clearstrength XT100纳米改性后的复合材料弯曲强度改善效果十分明显。对比于未改性(含量0%XT100)之前，改性后(含量2.86%XT100)平纹碳纤维织物弯曲强度提高62.0%；双轴向0°方向碳纤维织物弯曲强度提高25.3%；双轴向90°方向碳纤维织物拉伸强度提高22.2%。改性后的平纹碳纤维织物弯曲强度仍低于双轴向织物，主要原因仍在于平纹结构中纤维束交织缠结未能充分发挥组份强度，而导致承受弯曲应力降低。不同碳纤维结构织物改性前后弯曲应力—应变曲线图如图9所示。

图9 不同碳纤维结构织物改性前后弯曲应力-应变曲线

由图9可知，在初始弹性阶段，不同结构的碳纤维织物弯曲试样的弯曲应力随应变变化趋势呈线性增长，弯曲应力由基体和增强体共同承载，超过弹性阶段，纳米改性的试件最大弯曲强度高于改性前的试样。对于平纹结构织物，弯曲应力超过屈服阶段后，应力即开始下降，试样表面树脂产生碎裂损伤同时向内层传递纱线开始断裂失效，织物损伤失效，应力减小。对于以双轴向为增强体的多层织物，随着弯曲应力超过屈服阶段，织物上下表面基体产生裂纹损伤并向纤维束内部传递载荷，由于纤维束平行顺直排列具有一定的延伸性并能够保证组分充分吸收载荷，增强体部分承受应力增强，弯曲应力曲线继续增长，直到达到弯取最大强度，纤维束断裂，应力瞬时减小。

2.3 损伤形貌分析

图10为拉伸损伤试样的扫描电镜微观形貌观察，没有改性前，双轴向碳纤维复合材料如图10(a)，图10(c)所示，不管是在0°方向还是90°方向均存在着树脂与增强纤维脱粘、失效过程中出现纤维束不均匀抽拔、基体表面有不同程度的裂纹扩散、断裂截面分布较多孔隙、断口呈锯齿状等现象。平纹碳纤维如图10(e)所示，纤维束表面树脂含量较少且分布不均匀，基体与增强体结合较为疏松，纤维抱合度不高。以上原因综合作用导致碳纤维复合材料一体性较差，容易出现局部失效而影响复合材料整体性能。经Clearstrength XT100改性后同种织物同一方向，如图10(b)，图10(d)所示，双轴向碳纤维织物纤维束表面树脂与纳米颗粒分布细腻均散，同时与增强体表面接触结合点更多，再加上纤维束本身平行顺直排列使得纤维之间缠抱程度更高，较多的纤维聚集在一起，从而增强了树脂与碳纤维的层面结合力，使得基体参与分担的载荷更多，整体力学性能提高。平纹碳纤维如图10(f)所示，除交织点外的区域，纳米颗粒加入将基体与增强体链拉成更大形状的柱状整体结构，能够较好的承受载荷，但因为交织点附近，一方面纤维束结点接触紧实，浸润较少，另一方面纤维束本身有一定屈曲，纤维束力学性能未能充分发挥，导致整体力学性能低于平纹碳纤维结构织物。

(a)双轴向0°(b)双轴向0°添加(c)双轴向90°(d)双轴向90°添加(e)平纹(f)平纹添加

3 结论

(1)复合材料板材力学性能测试中，双轴向经编织物比平纹织物具有更高的拉伸和弯曲强度，在于平纹结构经纱和纬纱交织纤维束屈曲不能完全发挥其力学性能而双轴向织物的纤维束平行顺直排列，无屈曲纱层，并利用经编组织结构形成整体共同分担承载应力。

(2)Clearstrength XT100纳米改性对于两种不同结构的碳纤维织物均具有促进作用，但平纹结构织物优化效果更好，除纤维束本身影响，平纹织物层内间隙较多有利于基体更好浸润。

(3)平纹结构的碳纤维织物在工艺成形时存在贴敷性能较差，但双轴向织物的束缚系统对纤维束的约束力较好，使其具备了优异的铺覆预成形性能再加上其优异的树脂工艺导流性能和浸润性能，成形特性良好，适合于生产超薄、超厚的平面及曲面复合材料。