大丝束碳纤维复合材料力学性能研究.pdf
-8-高科技纤维与应用第卷 28 前言 由于大丝束碳纤维（）具有价格低、48K来源容易、性能与碳纤维相当等优点，其复 12K 合材料在钓鱼竿、高尔夫球杆、建筑补强、天然气储罐、医疗器械等方面应用广泛1-4，随着大丝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碳纤维，还未见有大丝束碳纤维在此领3K12K 域应用的报道。它能否在航空航天领域应用的关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，利用自行研制的高温固化（）树脂体系和国外进口的180 5222B 碳纤维制成预浸料，并对复合材料层合板力48K 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（）复T300-3K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。实验部分1 主要原材料1.1 高温固化改性环氧树脂体系，浅黄色5222B 粘稠体，g为，北京航空材料研究院自行 222研制。碳纤维，性能见表，美国PANEX33-48K 1 公司制造。ZOLTEK 试验方法1.2 预浸料树脂含量或面密度，按 GB/T7192-进行。1982 拉伸性能，按进行。GB/T3354-1982 压缩性能，按进行。GB/T3856-1983 面内剪切强度、模量，按 GB/T3355-1982进行。弯曲性能，按进行。GB/T3356-1982 层 间 剪 切 强 度，按（JC/T773-1982）1996 进行。制备大丝束碳纤维预浸料1.3 先用热熔胶膜机制备幅宽、1.22m 320mm 外观均匀平整的树脂胶膜，然后将胶膜再 5222B 与碳纤维在热熔预浸机上进行复合浸 48K 1.22m 渍，通过调整预浸温度、压力、速度、纤维张力等工艺参数，制出幅宽的碳纤维预 300mm 48K 浸料，其纤维面密度为(1305)g/m ，预浸料树脂质量分数 为，预浸料外观均匀、(383)%平整、无干纱。制备大丝束复合材料层压板1.4 将层的碳纤维预浸料按方向铺 16 48K 0贴成单向板；将层碳纤维预浸料按 20 48K 45/0/-45/90/45/0/-45/0/45/-45 铺 贴成多向板后，分别在热压机上模压成型。所制 碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 0 5 7 1-6 3 3 3 1 3 3 8大丝束碳纤维复合材料力学性能研究刘宝锋1，陈绍杰2，李佩兰1（北京航空材料研究院，北京；沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳）1.1000962.110035摘要 :本文研究了大丝束碳纤维（）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（48KT300-）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供技术基础。3K关键词:大丝束碳纤维（）；复合材料；力学性能48K中图分类号:TQ327.3 文献标识码:A文章编号:（）1007-9815200306-0008-04第卷第期 28 6 2003年月12高 科 技 纤 维 与 应 用Hi-Tech Fiber&ApplicationVol.28,No.6Dec.,2003收稿日期:；修定日期2003-11-12:2003-12-05作者简介:刘宝锋（），男，高级工程师，主要从事复合材料树脂基体及预浸料研制开发工作。1967-2sT第期刘宝锋 等：大丝束碳纤维复合材料力学性能研究 6 ,-9-的层压板厚度分别为和 2mm0.2mm 2.5mm，纤维体积分数0.2mm 为。(603)%层压板成型工艺：从室温升至 130140加压至合模，升温速率为，在 23/min 180下恒温，自然冷却至室温后，卸模。3h结果与讨论2 树脂基体的研制2.1 为适应大丝束碳纤维的自身特点，并满足热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。树脂体系及其碳纤维复合材料已成功应5222 用于歼八机等飞机上，其 g为，复合材 240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，决定在树脂体系的基础上，用热塑性树脂对 5222 其进行改性，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，并命名为。5222B树脂体系为浅黄色粘稠体，最小粘度5222B 为（），1.15Pas165170 g为（222DMA法）。大丝束碳纤维复合材料单向板力学2.2 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，也是评价材料性能优劣的常用参数。因此，为评价大丝束碳纤维复合材料，首先考查了碳纤维复合材料的 48K 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、层间剪切强度等，并与目前已应用于飞机结构件的 5222/复合材料进行了对比，结果见表。T300-3K 2由表可以看出，碳纤维复合材料单向 2 48K 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、主泊松比等都不低于 碳纤维复合材料的相应性能，这说明T300-3K 树脂基体对碳纤维的浸润性较强，界5222B 48K 面粘结性良好，表现为面内剪切强度和层剪强度较高。但从表还可以看出，在纵横向拉伸模 2 量、纵横向压缩模量、面内剪切模量方面，48K 碳纤维复合材料与碳纤维复合材料相比 T300-3K 碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富 阳 特 纤 所 0 5 7 1-6 3 3 7 3 2 3 6表和复合材料单向板常温下力学性能对比2 5222B/48K(A)5222/T300-3K(B)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/GPa A1 51013055.38.51 369130 B51 49013540.79.41 210134(A-B)/B1.3%-3.7%35.9%-9.5%13.14%-3.1%类 型横向压缩强度/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/MPa A24010.7110.54.510.338109 B519710.8 92.35 0.280100(A-B)/B2.18%-0.93%19.7%-0.98%20.7%9%注：栏数据是批试验数据的平均值。A 23 表碳纤维性能1 PANEX33-48K密度/(gcm )纤维直径/m线密度/(gm )拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa1.816.22.44 140231-3-1 TT-10-高科技纤维与应用第卷 28 均有所降低，由表可知，碳纤维和 1 48K T300-碳纤维的模量相当，都在左右，也就3K 230GPa 是说，纤维的影响较小；另外，其横向拉伸模量下降达，这也正说明了模量的下降主要与树 9.5%脂基体有关。如前所述。树脂在树脂5222B 5222 的基础上为适应碳纤维浸润性要求进行了增 48K 韧改性，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。但模量的下降均在以内，故可以用在对模量要求不高的 10%飞机非承力件或次承力件上。大丝束碳纤维复合材料多向层合板2.3 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铺层方式制备了多向/0/-45/0/45/-45 层合板，测试了其主要的力学性能，并与 5222/复合材料的相应性能进行了对比，其结T300-3K 果见表。3由表可见，与复合材料多向板 3 5222/T300 力学性能相比，仍然是在拉伸强度、压缩强度等方 面，复 合 材 料 要 高 于5222B/48K 5222/T300-；而在压缩模量、面内剪切模量方面，则前者3K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以内，故它可以用在对模量要 10%求不高的飞机非承力件或次承力件上。大丝束碳纤维复合材料湿热性能3 研究为了考查复合材料的耐湿热性 5222B/48K 能，将其进行湿热（，相对湿度）7095%碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 0 5 7 1-6 3 3 3 1 3 3 8表和复合材料多向板常温力学性能对比3 5222B/48K(A)5222/T300-3K(B)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/GPa A71052.970651.936217.8 B568752.054653.020.0(A-B)/B3.34%1.73%29.30%-2.08%-6.0%注：栏为 批试验数据的平均值。A23表和碳纤维复合材料的耐湿热性能4 5222B/48K5222/T300-3K类 型吸湿率/%弯曲强度/MPa弯曲模量/GPa干态室温湿态室温80130干态室温湿态室温5222B/48K测试值1.061 6101 550 1 200 856114111保持率/%96.3 74.5 53.2 97.45222/T300-3K测试值1.411 8401 560 975124124保持率/%84.8 52.9100类 型弯曲模量/GPa层间剪切强度/MPa80130干态室温湿态室温801305222B/48K测试值11411010779.658.240.0保持率/%100 96.574.454.437.45222/T300-3K测试值 12110489 43 保持率/%97.685.641.3 湿热试验条件为，相对湿度，试验时间为。65 955%1 000h 该数据是在下测试的。125 s第期刘宝锋 等：大丝束碳纤维复合材料力学性能研究 6 ,-11-处理后，测试其吸湿率及其在室温和1 000h 130 下的弯曲性能和层间剪切性能，并与 5222/复合材料的湿热性能T300-3K 6进行了对比，结果见表。4由表的试验结果可以看出，大 4 5222B/48K 丝束碳纤维复合材料经湿热处理后的性能保持率与相当，并且前者的吸湿率低于 5222/T300-3K 后者，说明其耐湿热性能优良。结论5 利用热熔胶膜预浸工艺可以制备出合格的 大丝束碳纤维预浸料，其复合材料单5222B/48K 向板和多向板的常规力学性能除模量略有下降外，其 他 性 能 与 5222/T300-3K 复合材料相当。另外，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正式应用。参考文献:1 赵稼祥大丝束碳纤维及其应用纤维复合材料.J.,1999,(4):5255.张旺玺2.聚丙烯腈基碳纤维的新进展高科技纤维 J.与应用,2001,26(5):1216.3 罗益锋新世纪世界碳纤维透视高科技纤维与应.J.用,2000,25(1):17.4 Large tow carbon fiber benefits sporting goodsJ.Reinforced plastics,1999,(3):3841.陈绍杰 等复合材料设计手册北京航空工业出5,.M.:版社,1990.颜鸣臬 等中国航空材料手册北京中国标准出6,.M.:版社,2002.8283.碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富 阳 特 纤 所 0 5 7 1-6 3 3 7 3 2 3 6Study of the mechanical properties for large-towcarbon fiber compositeLIU Bao-feng1;CHEN Shao-jie2;LI Pei-lan1(1.Institute of Aeronautical materials,Beijing 100095,China;2.Shenyang Aircraft Desing and Research Institute,Shenyang 110035 China)Abstract:The common 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开户：富阳特种纤维应用研究所地址：浙江富阳巨利路号 2 5银行：中信实业银行富阳支行邮编：3 1 1 4 0 0帐号：电话：（）8 2 6 0 0 0 2 5 0 4 4 0 5 7 1 6 3 3 7 3 2 3 6 6 3 3 8 2 3 6 9传真：（）电子信箱：0 5 7 1 6 3 3 7 2 4 6 6 s f a i f y.h z.z j.c n价 格彩色封面彩色封底彩色封二彩色封三彩色插页黑白插页说 明活动优惠价3 0 0 02 5 0 02 0 0 02 0 0 01 7 5 0 5 0 0外商企业广告不在本优惠之列，敬请原谅！原 价6 0 0 05 0 0 04 0 0 04 0 0 03 5 0 01 0 0 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