大丝束碳纤维复合材料力学性能研究.doc

1、大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 力 学 性 能 研 究1 2 1（1. 北 京 航 空 材 料 研 究 院 ，北 京刘 宝 锋 ， 陈 绍 杰 ， 李 佩 兰100096；2. 沈 阳 飞 机 设 计 研 究 所 ，辽 宁 沈 阳 110035）摘 要 : 本 文 研 究 了 大 丝 束 碳 纤 维 （48K）复 合 材 料 的 常 规 力 学 性 能 及 耐 湿 热 性 能 ，并 与 小 丝 束 碳 纤 维 （T300-3K）复 合 材 料 进 行 了 对 比 ，研 究 结 果 可 为 大 丝 束 复 合 材 料 在 航 空 器 的 次 承 力 件 或 非 承 力 件 的 应 用 提

2、 供 技 术 基 础 。关 键 词 : 大 丝 束 碳 纤 维 （48K）；复 合 材 料 ；力 学 性 能中 图 分 类 号 : TQ327.3 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1007-9815（ 2003） 06-0008-04前 言由 于 大 丝 束 碳 纤 维 （ 48K） 具 有 价 格 低 、 研 制 。PANEX33-48K 碳 纤 维 ， 性 能 见 表 1 ， 美 国 ZOLTEK 公 司 制 造 。来 源 容 易 、 性 能 与 12K 碳 纤 维 相 当 等 优 点 ， 其复 合 材 料 在 钓 鱼 竿 、 高 尔 夫 球 杆 、 建 筑 补强 、 天

3、然 1-41.2 试 验 方 法 预 浸 料 树 脂 含 量 或 面 密 度 ， 按 GB/T7192-气 储 罐 、 医 疗 器 械 等 方 面 应 用 广 泛 ， 随 着 大 丝 1982 进 行 。束 碳 纤 维 价 格 的 进 一 步 降 低 ， 其 应 用 领 域 将 不 断 扩 大 。目 前 ， 航 空 航 天 领 域 所 用 复 合 材 料 主 要 使 用3K 12K 碳 纤 维 ， 还 未 见 有 大 丝 束 碳 纤 维 在此 领 域 应 用 的 报 道 。 它 能 否 在 航 空 航 天 领域 应 用 的 关 拉 伸 性 能 ， 按 GB/T3354-1982 进 行 。 压

4、 缩 性 能 ， 按 GB/T3856-1983 进 行 。 面 内 剪 切 强 度 、 模 量 ， 按 GB/T3355-1982进 行 。 弯 曲 性 能 ， 按 GB/T3356-1982 进 行 。键 决 定 于 其 复 合 材 料 的 力 学 性 能 及 其 稳 定 性 。 本 文 结 合 实 际 科 研 工 作 ， 利 用 自 行 研 制 的 高 层 间 剪 切 强 度 ， 按1996 ） 进 行 。JC/T773-1982 （温 固 化 （ 180 ） 树 脂 体 系 5222B 和 国 外 进 口 的 1.3 制 备 大 丝 束 碳 纤 维 预 浸 料48K 碳 纤 维 制 成

5、 预 浸 料 ， 并 对 复 合 材 料 层 合板 力先 用 1.22m 热 熔 胶 膜 机 制 备 320mm 幅 宽 、 学 性 能 进 行 了 研 究 。 测 试 了 大 丝 束 复 合 材 料 单 向 板 和 多 向 板 的 拉 伸 、 压 缩 、 弯 曲 、 剪 切 性 能 及 湿 热 老 化 性 能 ， 并 与 小 丝 束 碳 纤 维 （ T300-3K ） 复 合 材 料 的 相 应 性 能 进 行 了 对 比 ， 将 为 大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 在 航 空 航 天 领 域 的 应 用 提 供 技 术 依 据 。外 观 均 匀 平 整 的 5222B 树 脂 胶

6、膜 ， 然 后 将 胶 膜 再 与 48K 碳 纤 维 在 1.22m 热 熔 预 浸 机 上 进 行 复 合浸 渍 ， 通 过 调 整 预 浸 温 度 、 压 力 、 速 度 、 纤维 张 力 等 工 艺 参 数 ， 制 出 幅 宽 300mm 的 48K 碳 纤 维 预 浸 料 ， 其 纤 维 面 密 度 为 (130 5)g/m2 ，预 浸 料 树 脂 质 量 分 数 为 (38 3)%， 预 浸 料 外观 均 匀 、 平 整 、 无 干 纱 。1 实 验 部 分 1.4 制 备 大 丝 束 复 合 材 料 层 压 板将 16 层 的 48K 碳 纤 维 预 浸 料 按 0方 向 铺 1

7、.1 主 要 原 材 料5222B 高 温 固 化 改 性 环 氧 树 脂 体 系 ， 浅 黄 色贴 成 单 向 板 ； 将 20 层 48K 碳 纤 维 预 浸 料 按 45 /0/-45/90 /45/0/-45/0/45/-45s 铺粘 稠 体 ， Tg 为 222 ， 北 京 航 空 材 料 研 究 院 自 行收 稿 日 期 :2003-11-12； 修 定 日 期 : 2003-12-05贴 成 多 向 板 后 ， 分 别 在 热 压 机 上 模 压 成 型 。 所 制 作 者 简 介 :刘 宝 锋 （1967-），男 ，高 级 工 程 师 ，主 要 从 事 复 合 材 料 树 脂

8、基 体 及 预 浸 料 研 制 开 发 工 作 。碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 0571-63331338 第 6 期 刘 宝 锋 ,等 ：大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 力 学 性 能 研 究 - 9 -的 层 压 板 厚 度 分 别 为 2mm 0.2mm 和 2.5mm 并 命 名 为 5222B。0.2mm， 纤 维 体 积 分 数 为 (603)%。 5222B 树 脂 体 系 为 浅 黄 色 粘 稠 体 ， 最 小 粘 度层 压 板 成 型 工 艺 ： 从 室 温 升 至 130 140 加 压 至 合 模 ， 升 温 速 率 为 2

9、3 /min， 在 180 为 1.15Pas（ 165 170 ） ， Tg 为 222 （ DMA法 ） 。下 恒 温 3h， 自 然 冷 却 至 室 温 后 ， 卸 模 。 2.2 大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 单 向 板 力 学 22.1 结 果 与 讨 论树 脂 基 体 的 研 制为 适 应 大 丝 束 碳 纤 维 的 自 身 特 点 ， 并 满 足 热性 能 研 究复 合 材 料 单 向 板 的 力 学 性 能 是 由 纤 维 、 树 脂 基 体 以 及 纤 维 树 脂 界 面 性 能 等 因 素 决 定 的 ， 它 是 飞 机 结 构 设 计 的 重 要 工 程 参 数

10、 ， 也 是 评 价 材 料 性 能 优 劣 的 常 用 参 数 。 因 此 ， 为 评 价 大 丝 束 碳 纤 熔 胶 膜 预 浸 工 艺 的 要 求 ， 必 须 选 择 一 种 粘 度 适 中 、 性 能 优 良 的 适 于 航 空 使 用 的 高 温 固 化 树 脂 体 系 。5222 树 脂 体 系 及 其 碳 纤 维 复 合 材 料 已 成 功 应维 复 合 材 料 ， 首 先 考 查 了 48K 碳 纤 维 复 合 材 料的 力 学 性 能 ， 分 别 测 试 了 其 纵 横 向 拉 伸 性能 、 纵 横 向 压 缩 性 能 、 主 泊 松 比 、 面 内 剪 切 性能 、 层 间

11、 剪 切 强 度 等 ， 并 与 目 前 已 应 用 于 飞 机 结构 件 的 5222/用 于 歼 八 机 等 飞 机 上 ， 其 T g 为 240 ， 复 合 材 T300-3K 复 合 材 料 进 行 了 对 比 ， 结 果 见 表 2。料 的 力 学 性 能 较 高 ， 缺 点 是 工 艺 性 较 差 ， 树 脂 流 动 性 大 ， 且 树 脂 固 化 后 的 韧 性 差 ， 这 也 限 制 了 该 树 脂 体 系 的 进 一 步 应 用 。 受 经 费 和 时 间 的 限 制 ， 决 定 在 5222 树 脂 体 系 的 基 础 上 ， 用 热 塑 性 树 脂对 其 进 行 改 性

12、 ， 增 加 体 系 的 粘 度 ， 适 当 降低 其 流 动 性 ， 可 以 用 热 熔 工 艺 制 备 胶 膜 。 但 树脂 体 系 的 粘 度 又 不 能 太 大 ， 否 则 将 不 利 于 大 丝束 碳 纤 维 的 浸 润 和 展 开 。 经 过 反 复 多 次 的 配 方筛 选 和 预 浸 工 艺 性 的 优 化 ， 最 终 确 定 了 经 改 性的 树 脂 体 系 配 方 ， 由 表 2 可 以 看 出 ， 48K 碳 纤 维 复 合 材 料 单 向 板 的 纵 横 向 拉 伸 强 度 、 纵 横 向 压 缩 强 度 、 面 内 剪 切 强 度 、 层 间 剪 切 强 度 、 主

13、泊 松 比 等 都 不 低 于 T300-3K 碳 纤 维 复 合 材 料 的 相 应 性 能 ， 这 说 明 5222B 树 脂 基 体 对 48K 碳 纤 维 的 浸 润 性 较 强 ，界 面 粘 结 性 良 好 ， 表 现 为 面 内 剪 切 强 度 和层 剪 强 度 较 高 。 但 从 表 2 还 可 以 看 出 ， 在 纵横 向 拉 伸 模 量 、 纵 横 向 压 缩 模 量 、 面 内 剪 切 模量 方 面 ， 48K 碳 纤 维 复 合 材 料 与 T300-3K 碳 纤维 复 合 材 料 相 比表 1 PANEX33-48K碳 纤 维 性 能密 度 /(gcm-3 ) 纤 维

14、直 径 /m 线 密 度 /(gm-1 ) 拉 伸 强 度 /MPa 拉 伸 模 量 /GPa1.81 6.2 2.4 4 140 231表 2 5222B/48K(A)和 5222/T300-3K(B)复 合 材 料 单 向 板 常 温 下 力 学 性 能 对 比类 型 纵 向 拉 伸 强 度/MPa 纵 向 拉 伸 模 量/GPa 横 向 拉 伸 强 度/MPa 横 向 拉 伸 模 量/GPa 纵 向 压 缩 强 度/MPa 纵 向 压 缩 模 量/GPaA 1 510 130 55.3 8.5 1 369 1305B 1 490 135 40.7 9.4 1 210 134(A-B)/B

15、 1.3% -3.7% 35.9% -9.5% 13.14% -3.1%横 向 压 缩 强 度 类 型/MPa横 向 压 缩 模 量/GPa面 内 剪 切 强 度/MPa面 内 剪 切 模 量/GPa 主 泊 松 比层 间 剪 切 强 度/MPaA 240 10.7 110.5 4.51 0.338 1095B 197 10.8 92.3 5 0.280 100(A-B)/B 2.18% -0.93% 19.7% -0.98% 20.7% 9%注 ：A 栏 数 据 是 2 3 批 试 验 数 据 的 平 均 值 。碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富 阳 特 纤 所

16、0571-63373236 - 10 - 高 科 技 纤 维 与 应 用 第 28 卷均 有 所 降 低 ， 由 表 1 可 知 ， 48K 碳 纤 维 和 T300-3K 碳 纤 维 的 模 量 相 当 ， 都 在 230GPa 左 右 ， 也 就 是 说 ， 纤 维 的 影 响 较 小 ； 另 外 ， 其 横 向 拉 伸 模 量 下 降 达 9.5%， 这 也 正 说 明 了 模 量 的 下 降 主 要 与 树 脂 基 体 有 关 。 如 前 所 述 。 5222B 树 脂 在 5222 树 脂 的 基 础 上 为 适 应 48K 碳 纤 维 浸 润 性 要 求 进 行 了 增 韧 改 性

17、 ， 添 加 了 一 种 热 塑 性 增 韧 剂 ， 提 高 其 粘 度 ， 使 其 适 于 热 熔 胶 膜 法 制 备 预 浸 料 。 由 于 热 塑 性 增 韧 剂 的 模 量 较 低 ， 影 响 了 整 个 树 脂 体 系 的 模 量 ， 从 而 导 致 复 合 材 料 的 模 量 降 低 。 但 模 量 的 下 降 均 在 10% 以 内 ， 故 可 以 用 在 对 模 量 要 求 不 高 的 飞 机 非 承 力 件 或 次 承 力 件 上 。层 合 板 ， 测 试 了 其 主 要 的 力 学 性 能 ， 并 与 5222/T300-3K 复 合 材 料 的 相 应 性 能 进 行 了

18、 对 比 ， 其 结 果 见 表 3。由 表 3 可 见 ， 与 5222/T300 复 合 材 料 多 向 板 力 学 性 能 相 比 ， 仍 然 是 在 拉 伸 强 度 、 压 缩 强 度 等 方 面 ， 5222B/48K 复 合 材 料 要 高 于 5222/T300-3K ； 而 在 压 缩 模 量 、 面 内 剪 切 模 量 方 面 ， 则 前 者 低 于 后 者 ， 情 况 与 单 向 板 力 学 性 能 一 致 ， 说 明 模 量 的 下 降 也 与 树 脂 基 体 的 增 韧 改 性 有 关 ， 但 由 于 模 量 下 降 都 在 10% 以 内 ， 故 它 可 以 用 在

19、对 模 量要 求 不 高 的 飞 机 非 承 力 件 或 次 承 力 件 上 。2.3 大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 多 向 层 合 板 3 大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 湿 热 性 能力 学 性 能 研 究由 于 复 合 材 料 在 飞 机 结 构 上 大 多 以 多 向 层 合 板 的 形 式 应 用 ， 因 此 ， 按 45/0/-45/90/45研 究为 了 考 查 5222B/48K 复 合 材 料 的 耐 湿 热 性 /0/-45 /0/45 /-45 s 铺 层 方 式 制 备 了 多 向 能 ， 将 其 进 行 湿 热 （ 70 ， 相 对 湿 度 95%

20、）表 3 5222B/48K(A)和 5222/T300-3K(B)复 合 材 料 多 向 板 常 温 力 学 性 能 对 比类 型 纵 向 拉 伸 强 度/MPa 纵 向 拉 伸 模 量/GPa 纵 向 压 缩 强 度/MPa 纵 向 压 缩 模 量/GPa 面 内 剪 切 强 度/MPa 面 内 剪 切 模 量/GPaA 710 52.9 706 51.9 362 17.85B 687 52.0 546 53.0 20.0(A-B)/B 3.34% 1.73% 29.30% -2.08% -6.0%注 ：A栏 为 2 3批 试 验 数 据 的 平 均 值 。表 4 5222B/48K和 5

21、222/T300-3K碳 纤 维 复 合 材 料 的 耐 湿 热 性 能类 型 吸 湿 率/% 弯 曲 强 度 /MPa 弯 曲 模 量 /GPa干 态 室 温 湿 态 室 温 80 130 干 态 室 温 湿 态 室 温5222B/ 测 试 值 1.06 1 610 1 550 1 200 856 114 11148K 保 持 率 /% 96.3 74.5 53.2 97.45222/ 测 试 值 1.41 1 840 1 560 975 124 124T300-3K 保 持 率 /% 84.8 52.9 100弯 曲 模 量 /GPa 层 间 剪 切 强 度 /MPa类 型80 130 干

22、 态 室 温 湿 态 室 温 80 1305222B/ 测 试 值 114 110 107 79.6 58.2 40.048K 保 持 率 /% 100 96.5 74.4 54.4 37.45222/ 测 试 值 121 104 89 43T300-3K 保 持 率 /% 97.6 85.6 41.3 湿 热 试 验 条 件 为 65，相 对 湿 度 95 5%，试 验 时 间 为 1 000h。 该 数 据 是 在 125下 测 试 的 。第 6 期 刘 宝 锋 ,等 ：大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 力 学 性 能 研 究 - 11 -1 000h 处 理 后 ， 测 试 其 吸

23、 湿 率 及 其 在 室 温 和 130 下 的 弯 曲 性 能 和 层 间 剪 切 性 能 ， 并 与 5222/6外 ， 其 耐 高 温 、 耐 湿 热 性 能 优 良 ， 有 望 在 航 空 航 天 领 域 的 次 承 力 件 或 非 承 力 件 上 通 过 试 用 后 得 到 T300-3K 复 合 材 料 的 湿 热 性 能 果 见 表 4。进 行 了 对 比 ， 结 正 式 应 用 。由 表 4 的 试 验 结 果 可 以 看 出 ， 5222B/48K 大 丝 束 碳 纤 维 复 合 材 料 经 湿 热 处 理 后 的 性 能 保持 率 参 考 文 献 :1 赵 稼 祥 . 大

24、丝 束 碳 纤 维 及 其 应 用 J. 纤 维 复 合 材 料 ,与 5222/T300-3K 相 当 ， 并 且 前 者 的 吸 湿 率 低 于 后 者 ， 说 明 其 耐 湿 热 性 能 优 良 。 21999,(4): 52 55.张 旺 玺 . 聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 的 新 进 展 J. 高 科 技 纤 维 与 应 用 , 2001,26(5): 12 16.5 结 论利 用 热 熔 胶 膜 预 浸 工 艺 可 以 制 备 出 合 格 的 3 罗 益 锋 . 新 世 纪 世 界 碳 纤 维 透 视 J. 高 科 技 纤 维 与 应 用 , 2000,25(1): 1 7.4

25、 Large tow carbon fiber benefits sporting goodsJ.Reinforced plastics, 1999,(3): 38 41.5222B/48K 大 丝 束 碳 纤 维 预 浸 料 ， 其 复 合 材 料 单 5 陈 绍 杰 ,等 . 复 合 材 料 设 计 手 册 M. 北 京 :航 空 工 业 出版 社 , 1990.向 板 和 多 向 板 的 常 规 力 学 性 能 除 模 量 略 有 下 降 6 颜 鸣 臬 ,等 . 中 国 航 空 材 料 手 册 M. 北 京 :中 国 标 准 出外 ， 其 他 性 能 与 5222/T300-3K复 合

26、 材 料 相 当 。 另 版 社 , 2002. 82 83.Study of the mechanical properties for large-towcarbon fiber composite1 2 1LIU Bao-feng ; CHEN Shao-jie ; LI Pei-lan(1. Institute of Aeronautical materials, Beijing 100095, China; 2. Shenyang AircraftDesing and Research Institute, Shenyang 110035 China)Abstract: The co

27、mmon mechanical properties and hot-wet properties of large-tow carbon fiber (48K) composite are studied preliminarily in this paper. And they are also compared with that of small-tow carbon fiber (T300-3K) composite. The results can provide the technologies for its future application on non-load-bearing component or subcomponent of aircraft.Key words: large-tow carbon fiber(48K); composite; common mechanical properties; hot-wet properties