三维机织碳纤维预制体增强树脂基复合材料纤维体积含量的测定(T-CSTM 00818—2022).pdf

ICS 83.120 CCS Q 23 团 体 标 准 T/CSTM 008182022 三维机织碳纤维预制体增强树脂基复合材料 纤维体积含量的测定 Three dimensional woven carbon fiber preform reinforced resin matrix composites Determination of fiber volume content 2022-12-27 发布 2023-03-27 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 T/CSTM 008182022 I 前 言 本文件参照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会建筑材料标准化领域委员会（CSTM/FC03）提出。本文件由中国材料与试验标准化委员会建筑材料领域纤维增强复合材料标准化技术委员会（CSTM/FC03/TC11）归口。T/CSTM 00818-2022 1 三维机织碳纤维预制体增强树脂基复合材料 纤维体积含量的测定 1 范围 本文件规定了三维机织碳纤维预制体增强树脂基复合材料（以下简称“复合材料）纤维体积含量测定的术语和定义、原理、试样制备、仪器和材料、试验步骤、复合材料纤维体积含量计算及判定和试验报告等。本文件适用于以聚合物为基体，三维机织碳纤维预制体（以下简称“预制体”）为增强材料的复合材料。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 7690.1 增强材料 纱线试验方法 第1部分：线密度的测定 GB/T 40724 碳纤维及其复合材料术语 GB/T 410632021 玻璃纤维 密度的测定 3 术语和定义 GB/T 40724 界定的术语和定义适用于本文件。4 原理 根据波义耳定律，密闭气体体积的降低与压力的增加成正比。惰性气体在室温下具有理想气体的性质，通过对两个已知体积的仓室通入惰性气体，进行两个压力的精密测量，根据气体压力的变化来确定样品的体积，从而得到复合材料、碳纤维、树脂浇铸体的密度。假设复合材料中的碳纤维全部被树脂浸渍和填充，则有 Vf+Vr=1,复合材料的质量等于碳纤维的质量加上树脂的质量，由此导出纤维在复合材料中的体积含量仅与复合材料、碳纤维和树脂的密度相关。通过使用真密度仪测定复合材料、碳纤维和树脂浇铸体的密度，测得纤维在复合材料中的体积含量。注：Vf纤维体积含量，Vr树脂体积含量。5 试样制备 5.1 碳纤维 在碳纤维丝束卷装上每隔5m取约70g作为1个试样，试样数量至少为3个。经有机溶剂萃取去除上浆剂并烘干后放入干燥器中备用。5.2 树脂浇铸体 T/CSTM 008182022 2 取与被测复合材料相同的树脂制作树脂浇铸体试样，按树脂的固化条件进行固化处理。制作树脂浇铸体时，应采取抽真空等措施，尽量减少树脂浇铸体内部的气泡。推荐树脂浇铸体试样尺寸为60mm40mm40mm，试样数量至少为3个。5.3 复合材料 在复合材料上有代表性的部位或按特定要求的部位切取无明显肉眼可见缺陷的试样，推荐试样尺寸不小于60mm40mm原厚度，应在其长度和宽度方向上至少包括两个单胞尺寸，试样数量至少为3个。用有机溶剂去除表面油污或污渍。5.4 试样状态调节 试验前，试样应在温度 232，相对湿度 50%10%的标准环境条件下放置至少 24h。其他条件可由利益相关方商定，并应在报告中注明。6 仪器和材料 6.1 分析天平 最小分度值为0.1 mg。6.2 真密度仪 符合GB/T 41063的规定。6.3 恒温水浴 带有水循环功能，能使温度保持在230.5。6.4 气体 高纯氮气（纯度99.99%）或高纯氦气（纯度99.99%）。7 试验步骤 7.1 碳纤维密度测定 按 GB/T 410632021 方法 A 的规定，测试 3 个试样，取平均值，记为 f。7.2 树脂浇铸体和复合材料密度测定 7.2.1 取一个树脂浇铸体或复合材料试样于分析天平（6.1）上称取其质量，精确至0.1mg，然后放入真密度仪（6.2）的样品仓中，将质量数据输入真密度仪。7.2.2 将样品仓放入真密度仪并将样品仓密封，调节恒温水浴（6.3）使样品仓的温度保持在230.5。通入气体（6.4）多次脉冲吹扫以去除样品仓和附加仓中的空气。7.2.3 按真密度仪操作程序测量树脂浇铸体或复合材料试样的密度。7.2.4 重复7.2.17.2.3直至完成至少3个树脂浇铸体试样和3个复合材料试样密度的测定，分别取平均值，记为r和c。T/CSTM 00818-2022 3 8 复合材料纤维体积含量计算及判定 8.1 结果计算 按公式（1）计算复合材料纤维体积含量：crffrV （1）式中：c复合材料密度；r树脂浇铸体密度；f碳纤维密度。复合材料纤维体积含量设计值的计算按附录 A 的规定。8.2 结果判定 当复合材料纤维体积含量测试值与设计值相差超过 4%时，应考虑复合材料内孔隙的影响，则该测试结果无效。9 试验报告 试验报告应当包括下列内容：a）本文件名称和编号；b）试验项目名称；c）试样来源及批号；d）试验结果；e）试验数量；f）试验人员、日期及其他；g）试样状态的调节和时间 h）测试试样的温度；i）环境温度和湿度。T/CSTM 008182022 4 附录 A（规范性）复合材料纤维体积含量设计值计算方法 A.1 碳纤维丝束线密度测定 按 GB/T 7690.1 的规定，测定去除上浆剂后碳纤维丝束的线密度。A.2 纱线弯曲系数测定 截取在预制体中经向和纬向每层各20根相邻列纱线进行测试，纱线截取长度不短于10倍单胞长度，测量截取前长度，并将这段长度的经纱和纬纱拉直后测量其长度，按公式（A.1）和（A.2）计算各层经纱和纬纱弯曲系数均值：20212011=jnLKL （A.1）20212011wmLKL.（A.2）式中：Kjn预制体中第 n 层经纱弯曲系数；Kwm预制体中第 m 层纬纱弯曲系数；L2自预制体上截取的各层经纱和纬纱拉直后的长度；L1纱线在预制体中截取前的经向和纬向长度。A.3 复合材料纤维体积含量设计值计算 按公式（A.3）计算复合材料纤维体积含量设计值。该公式基于三维机织碳纤维预制体复合材料生产工艺，依据碳纤维丝束线密度和机织工艺参数计算单位体积内所用碳纤维的总质量，再用碳纤维总质量除以密度，获得碳纤维的总体积，进而获取纤维体积含量的设计值：11f0.0001+jwCCjjnjnwwmwmnmfTexMKTMKTVh.（A.3）式中：Tex去除上浆剂后碳纤维丝束的线密度（g/km）；Mj预制体中经纱密度（根 cm-1）；Cj预制体中经纱层数；T/CSTM 00818-2022 5 Kjn预制体中第 n 层经纱弯曲系数；Tjn预制体中第 n 层经纱规格，指丝束中单丝根数（k）；Mw预制体中纬纱密度（根 cm-1）；Cw预制体中纬纱层数；Kwm预制体中第 m 层纬纱弯曲系数；Twm预制体中第 m 层纬纱规格，指丝束中单丝根数（k）；f碳纤维密度（g cm-3）；h复合材料的实际厚度（mm）。T/CSTM 008182022 6 附 录 B（资料性）起草单位和主要起草人 本文件起草单位：南京玻璃纤维研究设计院有限公司。本文件主要起草人：黄建、丁青云、李超、马丹、李熙、梁洁洁、马超群、杨永齐、汪尧、沈鹏、张亚文。_