碳纖維經(jīng)不同溫度處理后的力學(xué)性能分析*

殷祥剛1,2黃機(jī)質(zhì)3王會(huì)3馮小潔1,2

(1. 無(wú)錫出入境檢驗(yàn)檢疫局，無(wú)錫,214101;

2. 江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局紡織工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中心，無(wú)錫,214174;

3. 江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，無(wú)錫,214122)

摘要：對(duì)三家不同企業(yè)生產(chǎn)的同規(guī)格6K碳纖維復(fù)絲分別進(jìn)行200、500和800 ℃的高溫處理，對(duì)處理前后碳纖維單絲、復(fù)絲的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，復(fù)絲表面漿料降解，復(fù)絲呈松散狀態(tài)，甚至出現(xiàn)800 ℃時(shí)復(fù)絲纖維斷裂現(xiàn)象；對(duì)碳纖維單絲來(lái)說(shuō)，在200 ℃時(shí)美國(guó)碳纖維的強(qiáng)度損失最大，在500 ℃時(shí)東邦碳纖維的強(qiáng)度損失最大，在800 ℃時(shí)東麗碳纖維的強(qiáng)度損失最大，而單絲的斷裂伸長(zhǎng)率均是先降低后增加，說(shuō)明不同廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格碳纖維，由于原料、工藝、技術(shù)水平等的差異對(duì)碳纖維的耐高溫性有顯著影響；對(duì)碳纖維復(fù)絲來(lái)說(shuō)，在200和500 ℃時(shí)，東麗碳纖維復(fù)絲的強(qiáng)度損失最大，而800 ℃時(shí)三種碳纖維復(fù)絲均出現(xiàn)斷裂，未測(cè)試復(fù)絲力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：碳纖維，高溫處理，拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率

中圖分類號(hào)：TS157文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-06-06

作者簡(jiǎn)介：殷祥剛，男，1974年生，高級(jí)工程師。主要從事紡織測(cè)試技術(shù)、國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的研究。

碳纖維作為一種新型材料，具有質(zhì)量輕、密度小、強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等優(yōu)良性能，因此碳纖維有著很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。利用碳纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防建筑、醫(yī)療體育等領(lǐng)域。碳纖維的力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用很重要，所以研究碳纖維的力學(xué)性能非常必要。碳纖維復(fù)合材料在加工和應(yīng)用中都會(huì)有高溫環(huán)境，對(duì)于這種耐高溫的纖維材料，高溫處理后材料強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化使材料本身的應(yīng)用范圍受到限制，所以研究纖維材料高溫處理后的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的改變是非常必要的。郭慧等[1]根據(jù)ASTM-D3379標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)量了國(guó)產(chǎn)碳纖維和日本T300碳纖維的強(qiáng)度，結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)碳纖維和T300碳纖維單絲強(qiáng)度隨溫度的變化呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。石曉斌等[2]根據(jù)碳纖維生產(chǎn)線最高溫度平衡區(qū)溫度1 800～2 500 ℃的范圍研究了碳纖維在不同熱處理溫度下的力學(xué)性能變化，結(jié)果表明：隨著處理溫度的升高，碳纖維的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，在1 900 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，拉伸模量和密度都隨溫度上升而增加。劉洪波等[3]為了解決連續(xù)式碳纖維石墨化爐氣密性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了溫度為3 000 ℃的密閉碳纖維石墨化爐，對(duì)PAN基碳纖維做了1 000～3 000 ℃的高溫處理，隨著溫度的升高模量變大，拉伸強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)溫度達(dá)到1 400 ℃時(shí)，碳纖維的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。Cédric Sauder等[4]對(duì)4種不同的碳纖維在2 000～3 000 ℃高溫下處理后纖維拉伸曲線的變化進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)溫度達(dá)到2 400 ℃時(shí)纖維的拉伸曲線為非塑性取向。

*國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012IK112)

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，測(cè)試了三種碳纖維單絲和復(fù)絲在未經(jīng)過(guò)高溫處理和經(jīng)過(guò)高溫200、500和800 ℃處理后的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化情況。

1試驗(yàn)部分

1.1　材料與測(cè)試儀器

材料：東麗、東邦和美國(guó)6K碳纖維。

藥品：丙酮(化學(xué)純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；三乙烯四胺(化學(xué)純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；E-44環(huán)氧樹(shù)脂，南通星辰合成材料有限公司。

設(shè)備：Y802型恒溫烘箱，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；CMT4304型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思集團(tuán)；馬弗爐，上海浦東榮豐儀器有限公司；XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀，上海新纖儀器有限公司。

1.2　試樣處理

圖1為碳纖維溫度處理示意圖，將樣品放在馬弗爐中，當(dāng)溫度升高到200 ℃(A點(diǎn))時(shí)保持1 h至B點(diǎn)，再將溫度升高到500 ℃(C點(diǎn))保持1 h至D點(diǎn)，最后升溫到800 ℃(E點(diǎn))再保持1 h至F點(diǎn)。

圖1　碳纖維溫度處理示意圖

1.3　膠液配制

在燒杯中每10 g環(huán)氧樹(shù)脂加固化劑三乙烯四胺1 g，以丙酮為溶劑。用玻璃棒充分?jǐn)嚢柚敝翗?shù)脂完全溶于溶劑中。

2結(jié)果與討論

2.1　碳纖維經(jīng)高溫處理后的外觀

三種碳纖維經(jīng)過(guò)200、500和800 ℃的高溫處理后外觀發(fā)生了明顯變化，如圖2所示。

圖2中A、B、C分別表示東邦、東麗和美國(guó)三種碳纖維，1、2、3分別表示200、500和800 ℃處理?xiàng)l件。從經(jīng)不同溫度處理后的樣品形態(tài)看，經(jīng)過(guò)200 ℃處理的碳纖維表面沒(méi)有明顯的變化；經(jīng)過(guò)500 ℃高溫處理的碳纖維表面光滑明亮，表面的漿料被燃燒掉，沒(méi)有漿料的束縛，纖維呈分散狀態(tài)；而經(jīng)800 ℃高溫處理的碳纖維露出瓷杯外端的被燃燒掉，瓷杯里面的纖維表面的漿料被燃燒，纖維沒(méi)有明顯的變化，可能在高溫狀態(tài)下，充分接觸空氣的纖維容易燃燒。

圖2　經(jīng)過(guò)高溫處理后的碳纖維

2.2　單絲拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的變化

2.2.1溫度對(duì)單絲拉伸強(qiáng)度的影響

三種碳纖維經(jīng)不同溫度處理后，在XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀上測(cè)試單絲的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。單絲拉伸強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3和表1。

圖3　不同處理溫度對(duì)單絲拉伸強(qiáng)度的影響

處理溫度/℃拉伸強(qiáng)度損失率/%東邦東麗美國(guó)2006.05.512.250047.740.127.880053.058.344.5

由圖3可知，三種碳纖維的拉伸強(qiáng)度都隨著處理溫度的升高呈逐漸下降的趨勢(shì)。表1是三種纖維經(jīng)過(guò)高溫處理后的單絲強(qiáng)度的損失率，從表中結(jié)果可以看出：在200 ℃時(shí)，美國(guó)碳纖維的強(qiáng)度損失最大，而東麗碳纖維的強(qiáng)度損失最小；在500 ℃時(shí)，東邦碳纖維的強(qiáng)度損失最大，而美國(guó)碳纖維的強(qiáng)度損失最?。辉?00 ℃時(shí)，東麗碳纖維的強(qiáng)度損失最大，而美國(guó)碳纖維的強(qiáng)度損失最小。不同廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格碳纖維，可能是由于不同廠家的原料、工藝、技術(shù)水平不同導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在差異，因而經(jīng)不同溫度處理后，拉伸強(qiáng)度的損失不同。

2.2.2溫度對(duì)單絲斷裂伸長(zhǎng)率的影響

從圖4結(jié)果看，三種碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率變化規(guī)律基本一致。經(jīng)較低溫度(200 ℃)處理后，斷裂伸長(zhǎng)率與常溫條件下差異不大，說(shuō)明此溫度條件對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的影響；而經(jīng)500 ℃處理后，由于溫度較高，對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)有較大影響，因此，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都發(fā)生了較大的改變；在800 ℃條件下處理后，碳纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到一定優(yōu)化，延伸性能得到改善，因此，斷裂伸長(zhǎng)率又出現(xiàn)了提升，但強(qiáng)度卻一直處于降低趨勢(shì)。

圖4　不同處理溫度對(duì)單絲斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.3　復(fù)絲拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的變化

2.3.1溫度對(duì)復(fù)絲拉伸強(qiáng)度的影響

三種碳纖維經(jīng)過(guò)高溫處理后，由于800 ℃處理后的碳纖維出現(xiàn)了損傷，復(fù)絲纖維出現(xiàn)了斷裂，雖然可以進(jìn)行單纖維測(cè)試，但按照GB/T 3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》要求，不能再上膠進(jìn)行復(fù)絲強(qiáng)伸性試驗(yàn)，因此，本試驗(yàn)中只給出了經(jīng)200和500 ℃處理后的復(fù)絲測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表2和表3。

表2　不同溫度處理后碳纖維復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度

表3　不同溫度處理后碳纖維復(fù)絲拉伸強(qiáng)度的損失率

由表2可知，經(jīng)過(guò)高溫處理后碳纖維復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度整體上也呈下降的趨勢(shì)，而且溫度越高，拉伸強(qiáng)度的下降越明顯。表3是三種纖維經(jīng)過(guò)高溫處理后的復(fù)絲拉伸強(qiáng)度的損失率，從表中結(jié)果可以看出：在200和500 ℃時(shí)，都是東麗碳纖維復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度損失最大，而東邦碳纖維復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度損失最小。從碳纖維拉伸強(qiáng)度的損失率來(lái)看，復(fù)絲與單絲的損失并不一致，可能是復(fù)絲有上膠程序，而該程序的操作目前標(biāo)準(zhǔn)中只是通過(guò)簡(jiǎn)單文字描述，由測(cè)試人員人工操作完成，存在很大的人為主觀性和不確定因素，會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定影響。

2.3.2溫度對(duì)復(fù)絲斷裂伸長(zhǎng)率的影響

從表4可以看出，經(jīng)過(guò)高溫處理的碳纖維復(fù)絲的斷裂伸長(zhǎng)率整體上呈下降趨勢(shì)，在500 ℃時(shí)，雖然東邦碳纖維復(fù)絲的斷裂伸長(zhǎng)率有略微增加，但仍低于未處理碳纖維復(fù)絲的斷裂伸長(zhǎng)率。

表4　不同溫度處理后碳纖維復(fù)絲的斷裂伸長(zhǎng)率

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同廠家生產(chǎn)的同型號(hào)碳纖維進(jìn)行高溫處理后的試驗(yàn)結(jié)果分析，得到下列結(jié)論：

(1)經(jīng)高溫處理后，碳纖維表面漿料由于高溫作用而分解，碳纖維復(fù)絲黏著力較弱或消失，使復(fù)絲呈松散狀態(tài)；而在過(guò)高的溫度條件下，復(fù)絲因含雜質(zhì)會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)絲斷裂。

(2)不同廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格碳纖維單絲和復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度都隨溫度的升高而有所損失，但不同廠家產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度損失程度不同。這可能是由于不同廠家的原料、工藝、技術(shù)水平不同導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在差異而造成的。

(3)從碳纖維拉伸強(qiáng)度的損失率來(lái)看，同一廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格碳纖維，復(fù)絲與單絲的損失并不一致。可能是因?yàn)閺?fù)絲有上膠程序，而該程序的操作存在很大的人為主觀性和不確定因素，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定影響。

參考文獻(xiàn)

[1]郭慧,黃玉東,劉麗,等.T300和國(guó)產(chǎn)碳纖維本體的力學(xué)性能對(duì)比及其分析[J].宇航學(xué)報(bào), 2011, 30(5)：2068-2072.

[2]石曉斌,許正輝.不同處理溫度對(duì)聚丙烯腈基碳纖維力學(xué)性能影響規(guī)律的研究[J].宇航材料工藝，2001(3)：29-32.

[3]劉洪波,徐仲榆,張紅波,等.高溫?zé)崽幚韺?duì)PAN基碳纖維結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響[J].合成纖維工業(yè), 1995, 18(6)：18-22.

[4]SAUDER Cédric, LAMON Jacques, PAILLER René. The tensile behavior of carbon fibers at high temperature up to 2 400 ℃[J]. Carbon，2004，42:715-725.

Study on the mechanical properties of carbon fiber

treated with different temperatures

YinXianggang1,2,HuangJizhi3,WangHui3,FengXiaojie1,2

(1. Wuxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau;

2. Textile Industrial Products Testing Center, Jiangsu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau;

3. Institute of Textile and Apparel, Jiangnan University)

Abstract:After 6K carbon fibers from three different enterprises were treated at 200, 500 and 800 ℃ respectively, the tensile properties of monofilament and multifilament of carbon fibers were respectively tested. The test results show that with the increase of temperature, the slurry of filament surface is resolved and multifilament become loose, and even breakage appears under the 800 ℃; for the single carbon fiber, the largest loss of strength is American carbon fiber at 200 ℃, Toho carbon fiber at 500 ℃, and Dongli carbon fiber at 800 ℃, while the elongation at break of single fiber decreases firstly and then increases, which means that the differences in material, process and technology level for the same specification carbon have the significant effect on the high temperature resistance. For the multifilament, at both 200 and 500 ℃, the loss of strength of Dongli carbon fiber is biggest, while at 800 ℃, not tested because of the broken for three carbon fibers.

Keywords:carbon fiber, treated with high temperature, strength, elongation at break

種下一棵樹(shù)收獲一片綠陰

獻(xiàn)出一份愛(ài)心托起一份希望