T800碳纤维树脂基复合材料的力学性能研究

T800碳纤维树脂基复合材料的力学性能研究 T800 碳纤维树脂基复合材料的力学 性能研究 ※ 1 11 2 陈伟明 王成忠 杨小平 郭晓东 1.北京化工大学 国家碳纤维工程技术研究中 心，北京 100029，2.航天科工集团6 院 41 所， 呼和浩 特 关键词:T800 碳纤维 环氧树脂 复合材料 碳纤维具有高比强度、高比模量、耐疲劳等一系列优异的性能，使其在许多领域得到广 泛应用。高性能的 T800 碳纤维已逐步应用于高 性能复合材料，但针对 T800 碳纤维的树脂体系 研究较少，主要集中在对 T800 碳纤维的表面状 [1-3]态的和复合材料的成型工艺上。而在这 些 T800 复合材料应用上通常只采用普通的树脂 体系，但所采用的树脂体系往往不能发挥其高 [4-5]性能的特点。因此，研究适用于制备 T800 碳 纤维复合材料的树脂基体是发挥T800 碳纤维高 T800碳纤维的 性能特点的关键。本文在分析了 表面上胶剂的基础上，研究了适用于 T800 碳纤 维高性能复合材料的树脂体系，有效发挥了 T800碳纤维高性能的特点。 对 T300 、T800 碳纤维表面上胶剂进行 FT-IR 分析(图 1)。T300 碳纤维的红外谱图中 符合双酚 A 型缩水甘油醚环氧树脂的典型谱图 [6]。T800 碳纤维的红外谱图与 T300 的相近，但 各峰的强度有较大差别。明显区别是酯基含量 大幅度提高，而苯环含量相对降低，环氧基团 的特征峰仍然存在，强度也相对降低。 Fig.1 FT-IR of the sizing agents of three different CF 在制备碳纤维复合材料时，应针对上胶剂 的结构特性，选择合适的基体树脂。由表 1 看 出，芳香胺固化的 TDE85 缩水甘油酯环氧树脂 的浇注体含有大量酯键，其拉伸强度最高;AG80 树脂交联密度大，使浇注体拉伸强度降低。T800 碳纤维复合材料的层间剪切强度以 TDE85/TONOX6040 体系最高,其次是 AG80 环 氧树脂,而对于E51 树脂来说，无论采用何种固 化 剂，T800 碳纤维复合材料的层剪强度都非常 低。同时发现，AG80/T800 复合材料的层剪强 度也很高。可以考虑以 TDE85 树脂和 AG80 树 脂复配使用看是否可以提高T800 碳纤维复合材 料的力学性能。 Tab.1 Mechanical properties of epoxy resins and CF composites 断裂T800碳 纤维复 拉伸强拉伸模合材料层剪强 延伸 环氧树脂固化剂度/Mpa 量/Mpa 率/% 度/Mpa E51 MeTHPA 59 2.3 1970 67 TONOX6040 73 2.3 3152 65 TDE85 MeTHPA 60 2.7 2810 77 TONOX6040 102 4.3 3456 113 AG80 MeTHPA 65 2.8 2370 108 TONOX6040 68 3.1 2838 105 由表 2 可知在加入少量 AG80 环氧树脂的情 况下，T800 碳纤维复合材料的层剪强度和耐热 性提高显著，比使用单一树脂明显改善，具有 协同作用。 Tab.2 Properties of mixed resins 拉 伸断裂拉 伸T800 复合材 玻璃化温度 TDE85/AG80 料层剪/MPa 强 度 延伸 模 量 Tg /? (质量份数) /MPa 率/% /MPa 100/0 102 4.3 2372 113 180 90/10 110 3.8 2894 126 220 60/40 91 3.5 2600 120 / T800 碳纤维单丝直径小，要求基体树脂要 有较低的粘度，以便在加工成型时树脂能快速 浸润。表 3 是稀释剂对树脂浇注体及其复合材 料的性能影响。稀释剂加入 25 份，树脂体系的 粘度迅速降低，T800 碳纤维复合材料的层剪强 度得到了提高的同时，耐热性下降不明显。可 见，只有在一定的粘度和浇注体强度的范围内 复合材料才有较高的界面性能。 Tab. 3 Influence of di l uting agent to properties of resin and composite T800 稀树脂基浇注体浇注 浇注体浇注体T800 碳 复 合 释 体粘度 拉伸强 体断 弯曲强 Tg /? 纤维复 剂/Pa.s 裂延 度合材料 材 料度/MPa 用( 25 伸率 /MPa 层 剪Tg/? ?) 量 / /% /MPa 份 0 1.40 110 3.8 156 226.40 126 220 10 0.68 98 4.3 154 / 132 / 25 0.51 88 3.2 128 216.14 138 217 0.44 81 3.1 124 / 137 30 / 结果表明，T800 碳纤维表面上胶剂中含有大量的酯基。TDE85 树脂经芳香胺固化后与 T800 有良好的界面性能;加入适量的 AG80 树 脂后，体系具有协同效应，使 T800 复合材料的 层剪进一步提高;活性稀释剂能有效提高 T800 复合材料的界面性能，且对其的耐热性影响不 大。通过对树脂基体的研究，使T800 碳纤维复 合材料的层剪强度达到 138MPa，Tg 达到 216 ?。 参考文献 [1] A. Fjeldly, T. Olsen, J.H. Rysjedal, J.E. Berg(Composites, 2001，partA32:373-378. [2] 郭慧玲，仲伟虹，张佐光(复合材料学报，2001，18(3): 38,43 [3] 陈祥宝(航空材料学报，2000，20(1):46,54 [4] 包建文，唐邦铭，沈宝华(纤维复合材料，1997，(4):28 ,31 [5] J. Lee, C. Soutis(Composites, 2005, Part A 36 : 213–227 [6] 张美珍(北京:中国轻工业出版社，2000(16 Properties of T800 carbon fiber composites ※ CHEN Wei-ming WANG Cheng-zhong YANG Xiao-ping GUO Xiao-dong National Research Center of Carbon Fiber Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029 Abstract: On the base of the analysis on T800 carbon fiber’s sizing agent, the resin matrix of T800 carbon fiber composite was studied. The mechanical properties and hot mechanical properties of the resin and its carbon fiber composites were analyzed. The effect of the resin matrix on T800 carbon fiber composites were examined too. The result shows that ester content of T800 sizing agent which can possess excellent interfacial properties with glyceride epoxy is high. With the help of the optimized resin system, the T800 carbon fiber composites possess excellent interfacial properties and heat-resistance properties. Its interlaminar shear strength (ILSS) can reach up to 138 MPa and the glass transition temperature (Tg) of the composites can achieve to 216?. Keywords: T800 carbon fiber epoxy resin composites