制样工艺对国产高强高模碳纤维复丝拉伸性能的影响

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite)因其质轻、高强、耐高温等优异性能而被应用于军工、航空航天等高科技领域及电子、医疗、汽车、体育用品等民用领域[1-2]。其中，碳纤维(Carbon Fiber)作为复合材料的增强体，具有高比强度、高比模量、耐高温、线膨胀系数小等优点，在复合材料中起着中流砥柱的作用[3]。近年来，国产高强高模碳纤维的发展可谓是突飞猛进，从最初的依赖进口产品，到现如今能够达到甚至超过国外同类产品。因此，准确、系统地测量其力学性能对于评价国产碳纤维以及进一步提高国产碳纤维性能具有重要意义[4]。

碳纤维复丝拉伸性能的测试主要执行GB/T 3362-2005《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》，该标准规定了制样方式和测试条件。文献[5-7]以上述国标为标准，经过大量反复的试验，发现复丝的制样工艺会影响T300和T700碳纤维的测试结果。

目前，国产高强高模碳纤维生产技术已取得突破，但有关影响国产高强高模碳纤维拉伸性能测试因素的研究还相对较少，因此笔者通过改变复丝制样工艺，研究了固化温度、固化时间等复丝制样工艺对国产高强高模碳纤维拉伸性能测试结果的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

取碳纤维复丝(聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化、碳化、石墨化)，使用环氧树脂618对其充分浸胶，并用上胶架固定，加热固化，制成待测样条。

1.2 试验方法

按照GB/T 3362-2005，采用万能材料试验机测试样条的抗拉强度与弹性模量；采用差示扫描量热仪(DSC)测量环氧树脂体系的放热量，并定量计算环氧树脂体系的固化度；采用扫描电镜(SEM)观察拉伸试样断口，并对比低固化度与高固化度碳纤维复丝样条的断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 固化温度

固化温度的高低将直接影响碳纤维复丝最后的固化效果：固化温度过低，树脂可能没有完全固化，力学性能较差；而固化温度过高，树脂可能受到高温的影响而发生形变，也会影响力学性能[8-9]。固化温度对国产碳纤维复丝力学性能的影响如图1和图2所示。

  

图1 不同固化温度时国产碳纤维复丝的抗拉强度Fig.1 The tensile strength of domestic carbon fiber multifilament with different curing temperatures

  

图2 不同固化温度时国产碳纤维复丝的弹性模量Fig.2 The elestic modulus of domestic carbon fiber multifilament with different curing temperatures

固化时间也是影响碳纤维复丝拉伸性能的一个重要参数。固化时间越长，环氧基开环与固化剂进行交联反应的机会则越多，可以更好地黏结碳纤维，有利于碳纤维复丝的拉伸性能。固化时间对国产碳纤维复丝拉伸性能的影响如图3和图4所示。

2.2 固化时间

由图1和图2可见，固化温度较高碳纤维复丝样条的拉伸性能低于低温固化。碳纤维复丝以固化时间140 min为例，随着固化温度的升高，样条抗拉强度由4 306 MPa降到3 960 MPa，弹性模量由381 GPa降到368 GPa。由于固化温度过高，树脂与碳纤维之间的界面性能下降，从而影响了整体的力学性能；同时，较高的固化温度也会影响到树脂，导致树脂内部出现孔洞等缺陷，影响了最终的抗拉强度。当固化温度达到树脂的玻璃化转变温度时，树脂的运动单元由小单元变成链段，抗拉强度和弹性模量均会大幅度下降，不利于碳纤维复丝拉伸性能的测试[10-12]。

  

图3 不同固化时间时国产碳纤维复丝的拉伸强度Fig.3 The tensile strength of domestic carbon fiber multifilament with different curing times

  

图4 不同固化时间时国产碳纤维复丝的弹性模量Fig.4 The modulus of domestic carbon fiber multifilament with different curing times

式中：α为固化度；Ht为变温DSC测量的剩余反应热；Hu为变温DSC测量的总反应热。

2.3 DSC分析

茄子棉铃虫主要啃食茄子茎及嫩芽，严重影响茄子的正常生长，及时进行防治。以幼虫蛀食蕾、花、果为主，也危害嫩茎、叶和芽。花蕾受害时，苞叶张开，变成黄绿色，2～3天后脱落。幼果常被吃空或引起腐烂而脱落，成果虽然只被蛀食部分果肉，但因蛀孔在蒂部，便于雨水、病菌流入引起腐烂，所以，果实大量被蛀会导致果实腐烂脱落，造成减产。

  

图5 80 ℃时不同固化时间环氧树脂反应热DSC曲线Fig.5 Reaction heat DSC curve of epoxy resin with different curing times at 80 ℃

在非等温DSC测试中，测量树脂体系的总反应热是相同的，随着固化时间的延长，树脂的反应热逐渐减少，对应固化度的计算公式如下

 

(1)

由图3可见，随着固化时间的延长，国产碳纤维复丝样条的拉伸强度具有明显的上升趋势。这是因为随着固化时间的延长，环氧树脂与固化剂之间的反应进行得越来越充分，当固化时间足够长时，环氧树脂的两个环氧基与胺类固化剂反应，环氧基开环与伯氨基反应生成羟基和仲氨基，并放出大量的热，之后仲氨基又可与另一个环氧基反应生成叔氨基，分子链得到增长的同时形成了网状的交联结构，由热塑性树脂转变为热固性树脂，因而抗拉强度得到提升[13]。图3中曲线的走向反映了这一过程，固化时间从20 min延长至140 min，样条的抗拉强度由3 554 MPa升高到3 960 MPa。因此，延长固化时间，使环氧树脂充分固化，有利于提高碳纤维复丝的拉伸性能。由图4可见，当固化时间达到120 min后，碳纤维复丝样条的弹性模量曲线变化趋势不太明显，因此固化时间也无需无限延长。

通过SEM观察不同固化程度的碳纤维复丝样条断口形貌可以发现：恒定固化温度时，随着固化时间的延长，树脂基体的固化度提高，更好地传递载荷，断裂时仅有较少的纤维拔出，较明显地提高了碳纤维复丝样条的拉伸性能。

结合图5和表1可以看出：恒定固化温度时，随着固化时间的延长，树脂体系的反应热逐渐减少，从而对应的固化度不断增加。因此树脂体系的固化度与其固化时间呈正相关的关系，即树脂体系的固化时间越长，其固化度越高，最终表现为碳纤维复丝样条的拉伸性能越好。

廖：原因大概有两方面，其一是对“浮躁”的反感.例如媒体访谈，大多是为了完成他们自己的任务.然而“任务”天天变，但任何一个人都不可能通晓知识的各个领域，所以说了半天却没什么共鸣，甚至会根据采访者内心预设的结论断章取义——如此又何必为非知音者“弹琴”呢？

 

表1 80 ℃时不同固化时间环氧树脂的反应热Tab.1 Reaction heat of epoxy resin withdifferent curing times at 80 ℃

  

固化时间/min反应热/(J·g-1)固化度/%0-352．2020-348．31．140-325．67．660-296．915．780-252．528．3100-205．641．6120-166．952．6140-86．5275．4

考虑到测试的可操作性，固化时间最好在80 min以上，即固化度超过30%为宜。虽然延长固化时间可以在一定程度上提高碳纤维复丝的拉伸性能，但考虑到时间成本，固化时间不能无限延长。因此，笔者根据试验室条件把固化时间的下限设置为80 min，上限设置为140 min。

2.4 SEM分析

利用扫描电子显微镜观察固化温度为80 ℃、固化时间分别为80 min和140 min时国产碳纤维复丝样条的断口形貌，结果如图6所示。图6a)是固化度较低的国产高强高模碳纤维复丝样条的断口微观形貌，图6b)是其局部放大形貌，可以看出，当固化度较低时，碳纤维与树脂基体的结合不好。树脂基体的作用是固定碳纤维并将其黏合成整体，但当固化度较低时，树脂基体中有大量的碳纤维拔出，在原来的位置留下孔洞，这充分说明了当固化程度较低时，树脂不能很好的黏结碳纤维，在断裂时，应力不能沿着树脂从一根纤维传递到另一根纤维，从而影响了拉伸性能测试结果。

图6c)和图6d)是固化度较高的国产碳纤维复丝样条的断口形貌及其局部放大形貌，可见与图6a)和图6b)恰恰相反，树脂基体的固化度提高后，基体可以很好的黏结碳纤维，较好地传递载荷并使其均匀分配，提高了力学性能。

  

图6 不同固化度的国产碳纤维复丝拉伸试样断口微观形貌Fig.6 Micro morphology of fracture of domestic carbon fiber multifilament samples with different curing degree:a) low magnification of low curing degree; b) high magnification of low curing degree;c) low magnification of high curing degree; d) high magnification of high curing degree

利用Proteus Analysis软件分析图5中各个峰的面积并计算相应的固化度，结果见表1。由表1可见，当固化温度为80 ℃时，随着固化时间的延长，树脂体系的固化度从0逐渐升高至75.4%。结合图3可以发现，恒定固化温度，固化时间的延长其实质是树脂体系固化度的增加。延长固化时间，树脂体系与固化剂反应更充分，更多的线性环氧树脂与胺类固化剂发生开环聚合反应，生成力学性能更好、具有网状结构的固化物。因此，随着固化时间的延长，树脂体系的固化度呈较明显的上升趋势。

2017年，北京市接待入境游客的数量为393万人次，同比下降5.8%，入境旅游已成为北京市旅游产业的薄弱环节。北京市作为2022年冬奥会主要承办城市无疑将吸引大量的海外游客，从而改善北京市入境旅游客源市场结构偏向东南亚国家的单一格局，为进一步打开海外游客入境旅游市场奠定基础。

2.5 同一固化度不同树脂体系

上式中，tB代表总税收，G代表政府间的财政转移，u为影响公共服务消费的城镇化参数，数值越大表示城镇化水平越高，说明要求提供的公共服务消费量也越大。把公式（3）变形，可得：

为了验证测试结果与固化度相关，选取3种环氧树脂进行同一固化度、不同树脂体系国产碳纤维复丝拉伸性能测试，结果如图7所示。

选用与固化温度为80 ℃具有相同条件的纯树脂体系进行非等温DSC测试，结果如图5所示。

  

图7 同一固化度不同树脂体系下国产碳纤维复丝拉伸性能Fig.7 Tensile properties of domestic carbon fiber multifilament with same curing degree and different resin system

从图7可以看出，制样工艺相同时，使用不同树脂体系制样，最终的拉伸性能相差不多：拉伸强度在4 100 MPa左右，弹性模量在390 GPa左右。这是因为制样工艺相同使得树脂体系的固化度相同，而拉伸性能与树脂的固化度相关，因此即便使用不同的树脂体系，测试结果仍相差不大，即碳纤维复丝的拉伸性能测试结果主要受制样树脂的固化度的影响。

3 结论

(1) 碳纤维复丝拉伸性能测试结果与制样树脂的固化度有关，固化度在30%～70%时，固化度越高，拉伸性能测试结果越高。

专业的心理辅导能够对不同程度的心理问题进行有效的疏导，但人员配备远远不足，而朋辈心理辅导能够用自己的资源去帮助别人，为专业心理辅导承担部分工作压力。二者相互合作可以产生更好的心理健康教育效果，还可以在校园里建立一种人文关怀和同辈支持的行为和氛围。因此建议高校在进行大学生心理健康教育时，要将朋辈心理辅导与专业性心理辅导有机的结合起来，保证学生心理健康有充足的保障。

(2) 在碳纤维复丝制样过程中，宜采用较低的固化温度和较长的固化时间，本试验中为采用80 ℃固化并持续加热140 min。

混凝-加核絮凝组合工艺将无机混凝与有机混凝相结合，既能体现出有机混凝与无机混凝的“吸附架桥”作用，又能发挥出介孔材料的“加速沉降”作用，携带出更多的污染物，恰当地弥补了无机混凝法与有机混凝法各自存在的缺陷，对大分子有机污染物、胶体状污染物和一部分细小悬浮物处理效果明显，但是对小分子有机污染物处理效果较差。

(3) 当复丝的制样工艺相同时，即使使用不同的树脂体系，如树脂体系的固化度相近，则最终的拉伸性能测试结果相关不大。

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