碳纤维复丝拉伸样条断面形貌分析

孙兴祥 孔令强 谭波 夏建明 陈文书 孙春根

(浙江精功碳纤维有限公司，浙江 绍兴 312073)

聚丙烯腈基碳纤维是一种人造合成纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐疲劳、耐热、密度小等一系列优异性能，属于典型的高性能纤维。而碳纤维的力学性能指标是评判碳纤维产品规格和等级的主要依据，从高强型碳纤维到高强高模型碳纤维，各种型号的碳纤维产品无一不是通过纤维力学性能来划分的。碳纤维的力学性能表征分为单丝拉伸和复丝拉伸，杨延风等[1]对单丝拉伸和复丝拉伸进行了详细对比，但单丝拉伸中的各项输入参数均为计算获得，且其测试结果对后期应用的直接指导意义存在争议。因此，碳纤维的复丝拉伸是目前领域内广泛采用的表征方法。

碳纤维的复丝拉伸方法在国标GBT 3362—2017进行了详细规范，吴怡凡、张为琴等[2]对复丝制样过程中的树脂体系、固化条件及固化度对性能的影响进行了研究，认为复丝制样过程中宜采用低固化温度和长固化时间。梁燕、邱星翔等[3]通过对复丝制样过程中树脂体系、浸胶方法、固化工艺及加强片等方面的影响进行了研究。此外，制样环境对碳纤维复丝拉伸影响也被证明[4]。在对复丝拉伸的各类研究中，主要是对各种影响因素与拉伸性能的关系进行研究，而从复丝样条实际状态及断裂形貌方面的研究很少。尤丽虹等[5]人在复丝样条制备技术中提到了不同浸渍胶液配方对界面形貌的影响，但在实际生产过程中，为了数据的代表性，浸渍胶配方必须固定，且复丝样条的界面形貌反映不仅是制样问题，与碳纤维本身也存在很大关系。

1 实验部分

1.1 原料

浙江精功碳纤维有限公司自产24K T300级碳纤维丝。

复丝拉伸样条制样方法按照GBT 3362—2017执行。

1.2 实验设备

1.2.1 复丝拉伸设备

英国INSTRON3866，拉伸速度：20 mm/min。

1.2.2 扫描电子显微镜

采用日立S-4700型扫描电子显微镜，测试条件：加速电压20 kV。

制样方法：在正常拉伸断裂的样条中随机选取肉眼观测相对齐整的样条，使断口竖直向上固定于样品台上，最后进行喷金待测。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维复丝拉伸样条断面形貌

与单丝拉伸相比，复丝拉伸的理想断裂状态为丝束中所有单丝同时受力在样条薄弱处发生断裂，但是在实际制样和拉伸过程中，并不能达到理想的断裂，因此拉伸强度存在一定的波动范围，图1是复丝拉伸样条典型的断面形貌。

图1 复丝拉伸样条断面形貌

从图1中可以看出，随机选择的复丝拉伸样条断面并不齐整。根据不同形貌特征，可以将断面分成3类区域，1#区为纤维拔出区，2#区为孔洞，3#区为正常断裂区。拉伸过程中，显然3#区所占比例对于拉伸强度有直接影响。

从图2可以看到，复丝拉伸样条断面1#区域纤维拔出区域纤维虽然发生断裂，但断面参差不齐，最大特征是：纤维从树脂中拔出，说明此区域纤维与树脂的界面结合力小于复合断裂力值。

图2 复丝拉伸样条断面纤维拔出特征

图3 复丝拉伸样条断面孔洞特征

图3中复丝拉伸样条断面2#区域为较为明显的孔洞，孔洞内部较为光滑，孔洞的存在对于整个拉伸样条来说相当于对纤维进行了隔离，严重影响了纤维在样条中的均匀分布，在拉伸受力过程中容易发生劈裂而造成样条非正常断裂。

图4为复丝拉伸样条断面3#正常断裂区域，可以看出，在此区域断面较为齐整，无纤维拔出现象。说明此区域在拉伸达到最大载荷时同时断裂，此区域纤维完全发挥了其自身性能，直接影响了最终拉伸强度结果。

图4 复丝拉伸样条断面正常断裂特征

2.2 碳纤维复丝拉伸样条断面形貌原因分析

从图1中可以看出，复丝拉伸样条断面中3#正常断裂区域占整个断面面积的60%～80%，说明碳纤维所用上浆剂与制样树脂之间相容性较好，如果碳纤维所用上浆剂与制样树脂匹配性较差，样条断面将出现纤维整体与树脂界面脱粘的情况。结合碳纤维生产过程及复丝样条制样过程，对断面孔洞及纤维拔出的原因进行分析。

2.2.1 碳纤维复丝拉伸样条断面孔洞产生原因

从图3孔洞内部光滑程度判断，孔洞的形成主要是由气泡造成的，且气泡尺寸较大，呈长条状，固化后在样条内部性能柱状的孔洞区。

(1)气泡的形成主要是由于纤维丝束在浸胶过程中未被完全浸润，这种情况在带张力浸胶时较为普遍，且胶液浓度和黏度相对稍高，丝束内部气泡被裹挟其中无法自行排出。

(2)纤维浸胶后需要30～40 min的晾胶工序，让溶剂自由挥发，如果直接将样条放入烘箱进行固化，溶剂急速挥发，也容易形成较大气泡。

2.2.2 碳纤维复丝拉伸样条断面纤维拔出产生原因

纤维的拔出现象是纤维与树脂界面的破坏，分析其可能原因如下。

(1)纤维在表面处理和上浆剂过程中，表面处理和上浆效果存在一定的均一性问题，单丝之间的处理差异，在复丝样条制样过程中就体现出了界面效果的差异。

(2)在制样过程中，同一束纤维中单丝间张力不均，拉伸过程是一个力的传递过程，而较为松弛的单丝在丝束断裂时并未经历力的传递，而是受到瞬间拉力，并未发挥出纤维与树脂复合的性能，导致纤维直接拔出。

2.3 碳纤维复丝拉伸样条制样优化措施

图5为制样优化后复丝拉伸样条断面形貌。可以看出，孔洞问题已经解决，正常断裂区域面积约达到90%，但还存在一定程度的纤维拔出区域。

图5 优化后复丝拉伸样条断面形貌

下表为不同复丝样条优化前后拉伸强度对比。从中可以看出，制样优化前后纤维拉伸强度都有了不同程度的改善，说明样条中孔洞的存在对于碳纤维真实拉伸性能存在较大影响。

样条优化前后拉伸强度对比

针对碳纤维复丝拉伸样条断面问题，认为可以采取以下措施予以改进。

(1) 在复丝拉伸样条取样和制样过程确保丝束中单丝的平行，尽量避免丝束中出现“松紧丝”，浸胶后施加一定的恒张力，在晾胶阶段用玻璃棒轻轻敲击样条，震除多余胶滴的同时，对于纤维丝束内部气泡的脱除也有一定作用。

(2) 在碳纤维生产过程中，尽量增大纤维丝束宽幅，确保纤维丝束在表面处理和上浆过程中单丝间的均一性。

3 结论

(1)碳纤维复丝拉伸按照标准方法制样同样存在细节上的问题，对于反映碳纤维真实拉伸性能存在一定影响。

(2)在复丝拉伸样条断面SEM照片中可以明显看到3种区域：纤维拔出区、孔洞、正常断裂区。

(3)在碳纤维复丝拉伸样条制样过程中除了按照标准方法要求的工艺细节外，需要确保样条的脱泡和张力均匀。

(4)通过对复丝拉伸样条断面形貌分析，也在一定程度上反映了碳纤维丝束中单丝间的不均一性，需要在生产中通过提高丝束宽幅予以解决。