T700碳纤维复合材料耐湿热老化研究

Ｔ７００ 碳纤维复合材料耐湿热老化研究

黄业青，张康助，王晓洁

（西安航天复合材料研究所，西安 710025）

摘 要：　选用 TDE-85 E-51 T700 和作为主体树脂，制备了一种碳纤维复合材料，并对这种复合材料进行耐湿热老化研究，分别测定其抗剪切强度、抗拉伸强度及模量和玻璃化转变温度随老化时间的变化值。结果表明，该 T700 碳纤维复合材料耐湿热老化性能较好，其力学性能在 2 000 h 的老化过程中变化不太大，但是其玻璃化转变温度值降低很多。关键词：　碳纤维复合材料；老化；抗剪切强度；抗拉伸强度；抗拉伸模量；玻璃化转变温度

文献标识码：　A 文章编号：　1007-9815（2006）03-0019-03中图分类号：　TQ327.3

Resist to Thermal and Wetting Aging Research onT700 Carbon Fiber Composite

HUANG Ye-qing; ZHANG Kang-zhu; WANG Xiao-jie

(Xi'an Aerospace Composite Materials Institute, Xi'an 710025 China)

Abstract: One kinds of T700 carbon fiber composite is produced with TDE-85 and E-51 epoxy resin, resist to thermal and wetting aging research on this composite is also done. Gauging the shear strength, tensile strength and modulus, glass transition temperature of the composite and their change during the aging test. The results shows this kinds composite is resist to thermal and wetting aging, its mechanical properties change little in this test, but its glass transition temperature declines a lot during aging test.Key words: carbon fiber composite; aging; shear strength; tensile strength; tensile modulus; glass transition temperature

前　　言

由于具有高强度、高模量、低密度等优点，碳纤维成为当前最重要的高性能纤维。碳纤维复合材料已广泛应用在航空航天、海洋、汽车、体育器材等领域。在西方发达国家，当前最佳的固体火箭发动机壳体几乎全部采用碳纤维复合材料；2006 2 M80 年月正式下水的美国“短剑”（Stiletto）高速隐形快艇，由于使用了全碳纤维复合材料船身，比传统的钢铁外壳更结实，更轻巧，整体质量不超过 500 t，速度可达50 kn。

树脂基体，特别是环氧树脂基体含有羟基、叔胺基、仲胺基等极性基团，在使用过程会吸湿，使其复合材料的性能显著下降。为了研究碳纤维复合材料耐湿热老化规律，对一种 T700 碳纤维/环氧树脂基复合材料进行了耐湿热老化研

究，跟踪研究了该复合材料的抗剪切强度，抗拉伸强度及模量，玻璃化转变温度等随湿热老化时间的变化规律。

１　　试验部分

１．１　　主要原材料及设备

TDE-85 0.85环氧树脂，环氧值，天津津东化工厂；

E-51 0.51环氧树脂，环氧值，无锡树脂厂；

DDM（二胺基二苯甲烷），化学纯，上海三爱思试剂有限公司；

T700 0.80 g/m碳纤维，线密度，日本东丽公司；

DSC-1 型缠绕机，哈尔滨玻璃钢研究院制；INSTRON 4505 型电子万能材料试验机。

- 20 - 高科技纤维与应用

第 31 卷

１．２　　复合材料试样的制备

按规定的配方将树脂配好，在 DSC-1 型缠绕机上缠制 NOL（Naval Ordnance Laboratory）环试样，在固化炉中按 70 /1h℃～90 /1h℃～120℃/4h～150 /2h ℃的条件固化。１．３　　性能测试

将试样放在 85 95 % ℃，相对湿度的调温调湿箱中老化，测量试样的抗剪切强度、抗拉伸强

度及模量和玻璃化转变温

度随老化时间的变化值。

２　　结果与讨论

２．１　　树脂基体配方设计

由于碳纤维活性表面积小（0.013～0.138 m

2

/g），边缘活性原子少，表面能低，与基体树脂的粘结力差，且石墨化程度越高，碳纤维表面惰性越大。作为树脂基复合材料使用的碳纤维，须经表面处理提高其表面活性。T700 碳纤维丝束直径较大，线密度为 0.80 g/m，对其表面进行红外光谱分析发现：T700 E-51碳纤维表面涂层为环氧树脂和顺丁烯二甲酸酐；使用 XPS T700对碳纤维表面进行氧碳元素的含量分析，分析碳纤维表面活性碳原子数（C1s = 285 eV）与非活性碳原子数（C1s > 285 eV）之比，发现活性碳原子数占总碳原子数的 52.48 %，说明T700 碳纤维表面活性相对较高（T800-12K 碳纤维活性碳原子数占

总碳原子数的 43.01 %）[1]

。

作为碳纤维缠绕用树脂基体，不仅要求树脂有合适的粘度和断后延伸率，还要求树脂浇铸体

50

a

PM45 / 度强40切剪抗3530

500

1 000

1 500

2 000

老化时间 / h

图 1 复合材料抗剪切强度的耐湿热老化曲线有足够的强度以及与碳纤维良好的界面粘接性能。这就要求树脂基体要有较高的极性和合适的交联密度。三官能度的 TDE-85 环氧是目前高性能环氧树脂中极性较高的树脂品种；E-51 是直链型环氧，属于柔性结构；芳香胺固化剂有好的强度和耐水性，碳纤维复合材料火箭发动机壳体不允许使用酸酐固化剂[2～3]

。该树脂配方选用 TDE-85 E-51 DDM 和环氧树脂，并选用作为固化剂，配合以 6360、660 T700等活性稀释剂，作为碳纤维复合材料树脂基体。

２．２　　Ｔ７００老化对碳纤维复合材料性能的影响

NOL 环是国内外复合材料普遍采用的一种单向纤维缠绕试验件，其性能的好坏是衡量纤维与树脂基体界面浸润性、粘接性及其在应力状态下

传递应力能力的尺度，可为纤维缠绕压力容器提供最基础的工艺参数。

２．２．１　　老化对复合材料力学性能的影响

从图 1 T700 可以看出，碳纤维复合材料在湿热老化过程中，抗剪切强度先上升后下降，最后趋于平缓。抗剪切强度在老化 500 h 后有所上升，这可能与老化过程中起到后固化作用有关，基体在加热过程中进一步固化，提高了复合材料的抗剪切强度；湿热老化 1 000 h 后抗剪切强度变化趋于平缓，老化 2 000 h 后的抗剪切强度仍与未老化时的抗剪切强度相当。可以认为 T700 碳纤维复合材料抗剪切强度对湿热老化不太敏感。

如图 2 T700 所示，在湿热老化过程中，碳纤维复合材料的抗拉伸强度也出现了起伏，在老化 500 h 时有明显下降，然后逐步回升，最后又下降。这说明湿热老化过程中相反的两方面因素在

2 000

a

P1 800

M / 度强1 600

伸拉抗1 400

1 200

500

1 0001 500

2 000

老化时间 / h

图 2 复合材料抗拉伸强度的耐湿热老化曲线

第 3 , , T700 - 21 -期黄业青张康助王晓洁：碳纤维复合材料耐湿热老化研究

1.4

140

1.2抗拉伸模量 / GPa

1.00.80.60.4

500

玻璃化转变温度 / ℃

120

100

80

60

1 000老化时间 / h

1 500

2 000

500

1 000老化时间 / h

1 500

2 000

图 3 复合材料抗拉伸模量的耐湿热老化曲线

图 4 复合材料玻璃化转变温度的耐湿热老化曲线

起作用，一方面，湿气的渗透，使树脂基体发生增塑，且与基体中的某些化学键相互作用，削弱了复合材料的界面性能，导致抗拉伸强度降低；另一方面，加热使树脂基体进一步固化，提高了复合材料的抗拉伸强 …… 此处隐藏：2782字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……