碳纖維浸膠紗制樣關鍵因素對拉伸強度影響的探究

李駿光，湯志強，徐宇瀟，賀彭立，徐 琪

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

碳纖維作為樹脂基復合材料的重要增強體材料，其力學性能的優劣對復合材料結構設計的選材與選型起到至關重要的影響，行業內通常采用浸膠紗拉伸性能作為碳纖維力學性能的表征方法［1，2］，碳纖維浸膠紗是由碳纖維紗線浸漬樹脂并固化成型的一種集束狀復合材料試樣。浸膠紗拉伸性能測試是一種科學客觀且高效便捷的測試方法，是碳纖維產品出廠檢驗、應用設計等方面常見的測試項目［3］。目前行業內浸膠紗測試已形成相應的測試標準，對浸膠紗拉伸性能測試方法進行了規范統一，但是根據從企業、測試機構等調研的情況可知，同一產品拉伸強度和模量的測定結果存在較大偏差的問題依舊存在［4］，這主要是由于浸膠紗制樣過程中存在了影響試樣品質的關鍵因素（如：纏繞張力、樹脂黏度、樹脂質量分數、纏繞速度等），而目前行業中的制樣方式普遍缺乏對上述關鍵因素的有效監測與控制手段，這也是造成浸膠紗試樣質量穩定性存在差異的重要原因。

本文重點圍繞制樣過程的關鍵因素（纏繞張力、浸漬樹脂黏度、纏繞速度、樹脂質量分數和試樣固化形態），研究分析不同因素對12K和48K碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

碳纖維：T800-12K，線密度：450 tex，密度：1.79 g/cm3，拉伸強度≥5880 MPa，威海拓展纖維有限公司；

碳纖維：T300-48K，線密度：3200 tex，密度：1.79 g/cm3，拉伸強度≥4000 MPa，臺灣塑料工業股份有限公司；

環氧樹脂：Resin MGS? RIMR036，美國瀚森化學有限公司；

固化劑：Curing Agent MGS? RIMH039，美國瀚森化學有限公司。

1.2 實驗設備

碳纖維浸膠紗制樣采用自研設備：增強纖維纏繞成型數控制樣機，見圖1。

圖1 增強纖維纏繞成型數控制樣機示意圖

1.3 實驗條件

實驗設備：68TM-10，美國 Instron；

試驗標準：ASTM D4018-17《碳和石墨連續纖維絲束性能標準試驗方法》［5］；

試驗速度：5 mm/min。

2 實驗結果與討論

2.1 纏繞張力對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

碳纖維紗線在浸漬樹脂后需要通過設置一定的張力，使該束纖維中的每根單絲均處于伸直緊繃的狀態纏繞于浸膠紗框架上，直至固化形成復合材料試樣［6］。

本試驗針對T800-12K和T300-48K兩種型號的碳纖維紗線，分別考察了纏繞張力為纖維斷裂強力的0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%（其中5.0%張力僅針對T800-12K）條件下碳纖維的拉伸強度，結果見表1。從表1 可以看出，纏繞張力的大小會對碳纖維浸膠紗拉伸強度產生較大的影響，纏繞張力過小與過大均會使浸膠紗拉伸強度較正常結果值偏低，這主要是由于過小的張力會造成紗線中的單纖維處于非伸直狀態，進而降低了總體的承載能力［7］，而過大的張力則會造成紗線中的部分單纖維在提前發生斷裂，這主要是因為碳纖維紗線中的每根單絲的伸直程度不可能完全一致，因而在較大外力的作用下，紗線在與浸膠裝置中的樹脂質量分數控制器、浸膠輥、導紗輥等裝置接觸時，發生摩擦而斷裂，進而成為最終試樣的缺陷或微裂紋，在試驗過程中因應力集中等情況提前造成試樣破壞。此外，相同的纏繞張力并不能使不同線密度（粗細）的碳纖維紗線獲取浸膠紗拉伸強度的正常值，因此不同線密度紗線應根據實際情況設定適宜的纏繞張力值，纏繞張力值應設定為纖維斷裂強力的0.5%～1.0%為宜。

表1 纏繞張力對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

2.2 浸漬樹脂黏度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

碳纖維浸膠紗的浸漬樹脂應考慮與碳纖維表面上漿劑具有良好相容性的樹脂，應嚴格關注制樣環境下的樹脂黏度是否適宜浸漬。本試驗分別采用黏度為（200±30）mPa·s、（400±30）mPa·s、（600±30）mPa·s、（800±30）mPa·s、（1000±30）mPa·s、（1200±30）mPa·s條件下的環氧樹脂對T800-12K和T300-48K碳纖維紗線進行試驗，結果見表2。從表2中可以看出，隨著樹脂黏度的增加，浸膠紗拉伸強度呈下降趨勢，這主要是因為黏度較低時，樹脂呈現較高的流動度和浸潤性，有利于對纖維內部進行滲透，形成緊密的界面結合，從而更完美地體現出復合材料中碳纖維的增強作用，而當黏度較高時，樹脂的浸潤性降低，使之無法充分滲透纖維，形成浸膠紗試樣的貧、富膠區域，樹脂無法將載荷通過界面的剪切應力有效傳遞給纖維，造成樹脂承載了比在單純基體中更大的應力，進而導致復合材料整體的承載能力降低。這種情況發生在樹脂浸漬線密度較大的碳纖維時尤為明顯，如T300-48K碳纖維，在樹脂黏度為1200 mPa·s時，觀察纖維斷面可以發現部分纖維呈現灰暗顏色，這是纖維貧膠的表現。

在碳纖維浸膠過程中，應將本試驗用的樹脂黏度控制在200～800 mPa·s以內，而使用其他型號的樹脂浸漬時，可通過測量其黏度—時間曲線，如圖2所示，獲取其黏度對應的最佳使用時間區間，進而獲得最佳浸漬質量的浸膠紗試樣。

圖2 樹脂黏度—時間曲線（30℃時）

2.3 纏繞速度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

機械式的制樣設備普遍采用牽引纖維的方式進行纖維浸膠制樣，纏繞速度一方面會對制樣的整體效率產生影響，另一方面也會對樹脂充分浸漬纖維起到制約作用。

試驗選擇T800-12K和T300-48K碳纖維紗線，采用纏繞速度分別為0.5 r/min、1.0 r/min、2.0 r/min、5.0 r/min、10.0 r/min制備的試樣進行實驗，實驗結果見表3。從表3 和圖3 中可以看出，纏繞速度的提升，可以有效降低制樣時間，但是對浸膠紗拉伸強度試驗結果也存在影響，T800-12K碳纖維拉伸試驗結果在5種速度下并未發生明顯變化，然而T300-48K碳纖維在纏繞速度為5r/min和10r/min時，拉伸強度出現了明顯降低，這主要是由于T300-48K碳纖維的線密度為3200tex，遠高于T800-12K碳纖維，即使浸漬樹脂的黏度和最終浸膠紗樹脂質量分數均與其他試樣一致，但是在樹脂槽內低于5s的浸漬時間，使樹脂未能充分浸透纖維，造成試樣明顯的外部富膠與內部貧膠的情況，影響最終試驗結果。因此針對不同的碳纖維，應根據樹脂黏度，設定適宜的纏繞速度，在確保其不影響拉伸強度的同時，有效提升制樣整體效率。

表3 纏繞速度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

圖3 纏繞速度對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

2.4 樹脂質量分數對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

實驗選擇T800-12K和T300-48K碳纖維紗線，分別制備樹脂質量分數為（20±1）%、（30±1）%、（40±1）%、（50±1）%、（60±1）%、（70±1）%的試樣進行試驗，該試驗使用的樹脂黏度為（600±30）mPa·s，試驗結果見表4，浸膠紗拉伸強度與樹脂質量分數的對比分析見圖4。由表4 和圖4 可以看出，當樹脂質量分數在20%～40%的范圍區間時，浸膠紗的拉伸強度比正常值偏低，并呈現隨樹脂質量分數增加而增大的趨勢，拉伸強度試驗結果的離散性較大（Cv值大于5%），整體穩定性較差。這主要是因為樹脂質量分數整體偏低會造成樹脂基體難以充分包裹碳纖維的情況，盡管適宜黏度的樹脂可以充分浸漬至纖維內部，但是如果后續的除膠量過大，纖維上余留的膠液量偏低，仍然會降低纖維與樹脂界面結合的緊密性，形成內部缺陷，導致浸膠紗承載過程中的載荷傳遞的不均勻，引發浸膠紗的提前斷裂。當樹脂質量分數到達40%～60%的范圍區間時，拉伸強度不再發生明顯變化，拉伸強度試驗結果的離散性明顯降低（Cv值小于3%），試驗結果的穩定性較高，較為準確地反映出碳纖維紗線的拉伸強度正常值。而當樹脂質量分數進一步增加至60%～70%以上時，拉伸強度的試驗結果略微降低，Cv值增大。這主要是由于樹脂質量分數偏高時，樹脂極易在纖維的毛羽、毛刺等表面缺陷處聚集形成凸起顆粒狀物，導致試驗過程的應力集中，引發浸膠紗的提前破壞，即使很多情況下，該樹脂質量分數區間的試驗結果可以達到指標值，但是與40%～60%區間的結果相比，并未準確反映出碳纖維紗線的真實值。因此推薦采用的樹脂質量分數范圍在40%～60%。

表4 樹脂質量分數對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

圖4 樹脂質量分數對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

2.5 試樣固化形態對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

試驗選擇T800-12K碳纖維紗線，分別制備截面呈類圓型和寬扁型的浸膠紗試樣，規定如圖5 所示的試樣截面，當長軸/短軸即A/B＜1.5 時，為類圓型試樣；當A/B＞2 時，為寬扁型試樣，試驗結果見表5。從表中可以看出，截面呈類圓型或寬扁型的浸膠紗試樣，拉伸強度無明顯差異，寬扁型試樣的拉伸強度Cv值略高于類圓型試樣，但是兩類試樣的強度與強度穩定性均符合要求，這表明浸漬充分、均勻，且固化后的試樣沒有明顯表面缺陷（如樹脂膠滴、毛羽、散絲等）的試樣，無論截面形狀為類圓型亦或是寬扁型，均能獲取準確的結果。

表5 試樣固化形態對碳纖維浸膠紗拉伸強度的影響

圖5 浸膠紗試樣截面示意圖

3 優化工藝參數穩定性試驗

3.1 浸膠紗制備工藝參數優化的穩定性試驗設計

結合上述參數的研究結論，采用纏繞張力值為纖維斷裂強力的1.0%、樹脂黏度為（600±30）mPa·s、纏繞速度為1 r/min、樹脂質量分數為（40±1）%的優化制樣參數，對T800-12K和T300-48K 2 種型號的碳纖維紗線開展重復性試驗，分別從2 種型號紗的1 批次樣品中隨機各抽取10 卷紗，每卷紗制備2組試樣，每組試樣取6 個有效測試結果的平均值作為該卷紗的單次測試結果，采用單因子方差分析法對測試結果進行統計處理，進而對優化的工藝參數穩定性進行評價。

3.2 試驗結果與統計分析

T800-12K和T300-48K 2 種型號的碳纖維浸膠紗重復測試結果如表6 所示。

表6 2種型號碳纖維浸膠紗工藝參數優化試驗結果

T800-12K和T300-48K碳纖維浸膠紗的單因子方差分析結果見表7。

表7 方差分析結果

查表可知F0.05（9，10）=3.02，T800-12K碳纖維浸膠紗計算的F值為2.97、T300-48K碳纖維浸膠紗計算的F值為2.88，兩個值均小于F0.05（9，10），這表明在0.05 顯著水平時，兩種型號碳纖維浸膠紗試樣的測試結果是均勻穩定的，通過對比2.1～2.4 單影響因子的研究結果可知，采用優化后的制樣工藝參數進行浸膠紗試樣制備是穩定可靠的。

4 結論

碳纖維浸膠紗拉伸強度與制樣過程中的關鍵工藝參數有密切關聯。

（1）不同線密度的紗線應根據實際情況設定適宜的纏繞張力值，張力值應設定為纖維斷裂強力的0.5%～1.0%為宜。

（2）樹脂黏度控制在200～800 mPa·s以內為宜，可通過樹脂的溫度—黏度曲線，獲取其黏度對應的最佳使用時間區間，實際制樣過程中通過時間區間判斷樹脂黏度是否合適，是較為簡便的方式。

（3）盡管提高纏繞速度能有效提升制樣效率，但是過快的速度也會降低樹脂對纖維的浸漬效果，在制樣中應根據實際情況進行有效平衡，確保試樣質量的同時達到最佳制樣效率。

（4）在樹脂黏度適宜的前提下，樹脂質量分數是衡量樹脂浸漬纖維是否均勻、充分的常規指標之一，推薦范圍應在40%～60%。

（5）在樹脂浸漬充分且固化后的試樣沒有明顯表面缺陷的情況下，浸膠紗試樣固化后的截面形狀，無論是類圓型亦或是寬扁型，均對浸膠紗拉伸強度試驗結果無明顯影響。

（6）采用纏繞張力值為纖維斷裂強力的1.0%、樹脂黏度為（600±30）mPa·s、纏繞速度為1r/min、樹脂質量分數為（40±1）%的優化工藝參數進行浸膠紗制樣，獲得了穩定均勻的測試結果。