国产T800碳纤维表征分析及树脂基复合材料性能研究

发布时间：2018-04-21 15:07

本文选题：碳纤维 + 复合材料　；参考：《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》2015年博士论文

【摘要】：碳纤维因具有高强、轻质、耐疲劳等优异性能,以其为增强材料制备的高性能复合材料已经广泛应用于航空、航天等各尖端技术领域,成为先进复合材料的主要增强纤维之一。随着各应用领域对碳纤维增强复合材料性能要求的不断提高,高强型碳纤维产品已逐渐由T300发展到T700、T800甚至T1000,目前T300、T700级碳纤维已有较多的研究与应用,而T800级高性能碳纤维因国内以前一直没有实现产业化生产,相关研究或应用方面的报导很少。HK T800碳纤维作为我国最早实现产业化生产的T800级碳纤维产品,已大批量稳定产出,填补了国内高性能碳纤维方面的空白。但是对于该国产T800碳纤维产品,目前尚无系统表征分析和复合材料性能方面的验证研究。鉴于此情况本文结合各方面基础,对HK T800碳纤维的性能进行细致表征,从宏观到微观进行了系统分析,并对原有复合材料制备AG80树脂体系进行了优化,然后用湿法工艺对其复合材料性能进行了验证,另外借助专业单位的原有树脂体系,对HK T800碳纤维预浸料成型复合材料进行了系列性能验证,也从缠绕成型工艺方面进行了系列对比验证,具体如下:用万能材料试验机、扫描电子显微镜、元素分析仪、XR D、XPS、红外光谱仪、拉曼光谱仪等对国产HK T800碳纤维性能进行了系统的表征与分析。HK T800碳纤维拉伸强度、模量分别达到了5.63 GPa,292 GPa,且各项指标C v值均较低,稳定性较好。在相同表面处理条件下,因丝束大小所致,6 K碳纤维表面活性高于12 K碳纤维。HK T800碳纤维属湿法纺丝工艺,表面带有大量沟槽,截面存在有少量腰果形,表面粗糙度较大。HK T800碳纤维表面的微晶尺寸较小,存在有大量不饱和碳原子。广角X射线衍射显示HK T800碳纤维与东丽T800碳纤维层间距一致,均为3.47?,但半高宽低于、堆叠尺寸高于、取向度略高于东丽T800碳纤维。HK T800碳纤维由广角X射线衍射计算出的孔隙率为17.4%。HK T800碳纤维微孔偏离碳纤维轴取向程度、微孔长度、微孔横截面平均切割线长度以及最终的微孔体积均低于东丽T800碳纤维。HK T800碳纤维上浆剂属于环氧类上浆剂,碳纤维直径约为5μm,灰分约为0.1%,与东丽T800碳纤维一致。通过DSC方法研究了固化剂DD S、促进剂BF3?MEA用量等对AG 80环氧树脂固化反应的影响,并结合流变测试进行了对比分析。结果表明:单独以dds作为固化剂,ag80环氧树脂体系所需固化温度较高,加入促进剂bf3?mea后,能有效降低ag80/dds环氧树脂体系固化所需的温度。当ag80、dds和bf3?mea质量比为100:30:3时,dsc放热峰顶温度154℃,流变测试g"和g'交汇点在150℃,该配方体系比较适宜作为碳纤维复材性能测试的基体。利用湿法预浸料工艺,在上述碳纤维和树脂基体的研究基础上,制备了hkt800碳纤维/ag80环氧树脂复合材料,并对其力学性能及界面情况进行了测试分析。hkt800碳纤维/ag80环氧树脂体系复合材料在纤维体积分数为62%的前提下,其拉伸、弯曲和压缩强度分别达到2662mpa、1874mpa和1639mpa,层间剪切强度为116mpa,达到了t800级碳纤维复材性能水平。但复合材料力学性能特别是拉伸强度,与国外同等级别碳纤维复合材料相比还有一点差距,该体系中复合材料界面结合还存有一些不足,需要进一步的优化改进。利用预浸料热压工艺制备的系列hkt800碳纤维复合材料,从性能测试结果看,hkt800碳纤维双马树脂基复合材料的性能优于环氧树脂基复合材料的性能,以双马树脂基体制备的系列hkt800碳纤维复合材料,其力学性能都达到了较高水平。但是环氧树脂基复合材料的性能相比就较差一些,通过碳纤维表面状态优化和基体树脂配方调整等系列改进,hkt800碳纤维环氧树脂基复合材料,拉伸强度达到了2521mpa,冲击后压缩强度cai达到325mpa,其它性能均达到t800级碳纤维复合材料的应有水平,但碳纤维的强度转化率依然较低,基体树脂配方以及碳纤维表界面情况还有待进一步优化。碳纤维树脂基复合材料性能的影响因素很多,碳纤维本身性能及其表面行为、基体树脂性能以及和碳纤维的匹配性、复合材料界面等都对整体力学性能的转化有很大影响,为了实现碳纤维力学性能的最佳转化,需要对具体问题进行分析,从而掌握改进方向。通过缠绕成型复合材料壳体爆破验证证明,hkt800碳纤维在缠绕成型工艺下制备的多种规格样品都体现出了t800级碳纤维产品的优势,力学性能转化率可以达到80%以上,完全能够满足该工艺条件下的产品研制或应用需要。hkt800碳纤维产品在相同的缠绕工艺条件下,不同树脂体系反映出的复合材料性能具有明显差异,充分说明树脂基体对于碳纤维产品力学性能发挥的重要性。专门为HK T800碳纤维缠绕成型研制的K H树脂体系,能够保证碳纤维的力学性能发挥,比现有配套T700碳纤维的其它树脂体系都有很大提升。缠绕成型作为目前碳纤维增强复合材料制备主要的成型工艺之一,针对不同的碳纤维产品和基体树脂,工艺过程中的张力控制、胶液控制等具体参数均需要适时的调整,才能够更加有效保证复合材料性能的综合提高。
[Abstract]:In this paper , the properties of HK T800 carbon fiber have been studied systematically by using universal material testing machine , scanning electron microscope , element analyzer , XR D , XPS , infrared spectrometer and Raman spectrometer . The surface roughness is larger . The crystallite size of HK T800 carbon fiber surface is small . There is a large amount of unsaturated carbon atoms . The wide - angle X - ray diffraction shows that HK T800 carbon fiber has a uniform spacing between carbon fiber layer and T800 carbon fiber layer , which is 3.47 ? The results show that the tensile , bending and compressive strengths of carbon fiber composites are lower than that of the epoxy resin matrix composites . The results show that the properties of the composites are less than that of the epoxy resin matrix composites . In order to improve the mechanical properties of carbon fiber products , the properties of carbon fiber itself and its surface behavior , the properties of matrix resin and the matching of carbon fiber and the interface of composite material have great influence on the mechanical properties of carbon fiber products .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ342.742;TB332

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