国产碳纤维复合材料力学性能研究

  环氧树脂(EP)是一种性能优异的热固性树脂,具有黏附力强、内聚强度高、机械强度好、收缩率低、介电性能优良等特点,广泛应用于涂料、胶黏剂、航空航天、先进复合材料基体等领域,碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良性能,碳纤维的轴向强度和模量高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

  本研究,六种环氧树脂与碳纤维TZ4923D-12K分别制作纤维单位面积质量150g/㎡,树脂含量为30%的预浸料,通过制作层压板进行拉伸性能、弯曲性能、压缩性能、层间剪切性能测试。

  原材料分别采用环氧树脂K2、环氧树脂S3、环氧树脂Y2、环氧树脂Z2、环氧树脂Z3、环氧树脂Z5,威海拓展纤维有限公司生产的碳纤维TZ4923D-12K,通过涂膜机将环氧树脂K2、环氧树脂S3、环氧树脂Y2、环氧树脂Z2、环氧树脂Z3、环氧树脂Z5,分别加工成单面涂膜量为32g/m㎡的涂膜纸。通过复合机将六种环氧树脂的涂膜纸分别与碳纤维TZ4923D-12K结合,生产出纤维单位面积质量为150g/㎡的预浸料。

  将六种碳纤维预浸料,分别按照纤维方向进行裁剪,裁剪14块,然后进行铺覆及真空预压实;四种样板预压实完成后,采用真空袋成型工艺,成型温度120℃,固化时间90mins。板材固化完成后,按照单向纤维增强复合材料拉伸性能测试标准、采用组合加载压缩(CLC)试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的标准试验方法(ASTMD6641/D6641M-2009)、纤维加强的塑料复合物弯曲性能的测定(ISO14125-1998)、纤维增强塑料复合材料,用短试片测定表观层间粘合剪切强度(ISO14130-1998)标准进行样条加工,分别标注为样品K2、S3、Y2、Z2、Z3、Z5。

  预浸料层压板力学性能测试结果见下表。样品Z3的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量均是六种样品中最高的,压缩强度略低,层间剪切强度在六种样品中居中。结果表明不同的环氧树脂与碳纤维TZ4923D-12K的层压板力学性能不同,主要是由于不同环氧树脂,与碳纤维上的集束剂的结合不同,造成层压板力学性能不同。环氧树脂Z3与碳纤维TZ4923D-12K的结合性最好,综合性能最优。

  以上六种环氧树脂:环氧树脂K2、环氧树脂S3、环氧树脂Y2、环氧树脂Z2、环氧树脂Z3、环氧树脂Z5与碳纤维TZ4923D-12K的层压板力学性能测试结果表明,环氧树脂Z3与碳纤维TZ4923D-12K的层压板力学性能最优,树脂胶量为44%的层间剪切强度最高,树脂与纤维的结合性最好。