碳纖維經不同溫度處理后的力學性能分析*

殷祥剛1,2黃機質3王會3馮小潔1,2

(1. 無錫出入境檢驗檢疫局，無錫,214101;

2. 江蘇出入境檢驗檢疫局紡織工業(yè)產品檢測中心，無錫,214174;

3. 江南大學紡織服裝學院，無錫,214122)

摘要：對三家不同企業(yè)生產的同規(guī)格6K碳纖維復絲分別進行200、500和800 ℃的高溫處理，對處理前后碳纖維單絲、復絲的力學性能進行測試。結果表明：隨著溫度的升高，復絲表面漿料降解，復絲呈松散狀態(tài)，甚至出現800 ℃時復絲纖維斷裂現象；對碳纖維單絲來說，在200 ℃時美國碳纖維的強度損失最大，在500 ℃時東邦碳纖維的強度損失最大，在800 ℃時東麗碳纖維的強度損失最大，而單絲的斷裂伸長率均是先降低后增加，說明不同廠家生產的同一規(guī)格碳纖維，由于原料、工藝、技術水平等的差異對碳纖維的耐高溫性有顯著影響；對碳纖維復絲來說，在200和500 ℃時，東麗碳纖維復絲的強度損失最大，而800 ℃時三種碳纖維復絲均出現斷裂，未測試復絲力學性能。

關鍵詞：碳纖維，高溫處理，拉伸強度，斷裂伸長率

中圖分類號：TS157文獻標志碼：A

收稿日期：2014-06-06

作者簡介：殷祥剛，男，1974年生，高級工程師。主要從事紡織測試技術、國內外標準法規(guī)的研究。

碳纖維作為一種新型材料，具有質量輕、密度小、強度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好、熱膨脹系數小、抗蠕變、導電、傳熱等優(yōu)良性能，因此碳纖維有著很廣的應用領域。利用碳纖維作為增強體的復合材料已經廣泛應用于航空航天、國防建筑、醫(yī)療體育等領域。碳纖維的力學性能對復合材料的應用很重要，所以研究碳纖維的力學性能非常必要。碳纖維復合材料在加工和應用中都會有高溫環(huán)境，對于這種耐高溫的纖維材料，高溫處理后材料強度和斷裂伸長率的變化使材料本身的應用范圍受到限制，所以研究纖維材料高溫處理后的強度和伸長率的改變是非常必要的。郭慧等[1]根據ASTM-D3379標準分別測量了國產碳纖維和日本T300碳纖維的強度，結果表明，國產碳纖維和T300碳纖維單絲強度隨溫度的變化呈現先增大后減小的規(guī)律。石曉斌等[2]根據碳纖維生產線最高溫度平衡區(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性能變化，結果表明：隨著處理溫度的升高，碳纖維的拉伸強度先增大后減小，在1 900 ℃時拉伸強度達到最大值，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題，設計了溫度為3 000 ℃的密閉碳纖維石墨化爐，對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，拉伸強度先增大后減小，當溫度達到1 400 ℃時，碳纖維的拉伸強度達到最大值。Cédric Sauder等[4]對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行了測試，當溫度達到2 400 ℃時纖維的拉伸曲線為非塑性取向。

*國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目(2012IK112)

本文在前人研究的基礎上，測試了三種碳纖維單絲和復絲在未經過高溫處理和經過高溫200、500和800 ℃處理后的拉伸強度和斷裂伸長率的變化情況。

1試驗部分

1.1　材料與測試儀器

材料：東麗、東邦和美國6K碳纖維。

藥品：丙酮(化學純)，國藥集團化學試劑有限公司；三乙烯四胺(化學純)，國藥集團化學試劑有限公司；E-44環(huán)氧樹脂，南通星辰合成材料有限公司。

設備：Y802型恒溫烘箱，南通宏大實驗儀器有限公司；CMT4304型微機控制電子萬能試驗機，深圳新三思集團；馬弗爐，上海浦東榮豐儀器有限公司；XQ-1A型纖維強伸度儀，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，當溫度升高到200 ℃(A點)時保持1 h至B點，再將溫度升高到500 ℃(C點)保持1 h至D點，最后升溫到800 ℃(E點)再保持1 h至F點。

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)氧樹脂加固化劑三乙烯四胺1 g，以丙酮為溶劑。用玻璃棒充分攪拌直至樹脂完全溶于溶劑中。

2結果與討論

2.1　碳纖維經高溫處理后的外觀

三種碳纖維經過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、東麗和美國三種碳纖維，1、2、3分別表示200、500和800 ℃處理條件。從經不同溫度處理后的樣品形態(tài)看，經過200 ℃處理的碳纖維表面沒有明顯的變化；經過500 ℃高溫處理的碳纖維表面光滑明亮，表面的漿料被燃燒掉，沒有漿料的束縛，纖維呈分散狀態(tài)；而經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　經過高溫處理后的碳纖維

2.2　單絲拉伸強度和斷裂伸長率隨溫度的變化

2.2.1溫度對單絲拉伸強度的影響

三種碳纖維經不同溫度處理后，在XQ-1A型纖維強伸度儀上測試單絲的拉伸強度和斷裂伸長率。單絲拉伸強度的測試結果見圖3和表1。

圖3　不同處理溫度對單絲拉伸強度的影響

處理溫度/℃拉伸強度損失率/%東邦東麗美國2006.05.512.250047.740.127.880053.058.344.5

由圖3可知，三種碳纖維的拉伸強度都隨著處理溫度的升高呈逐漸下降的趨勢。表1是三種纖維經過高溫處理后的單絲強度的損失率，從表中結果可以看出：在200 ℃時，美國碳纖維的強度損失最大，而東麗碳纖維的強度損失最?。辉?00 ℃時，東邦碳纖維的強度損失最大，而美國碳纖維的強度損失最??；在800 ℃時，東麗碳纖維的強度損失最大，而美國碳纖維的強度損失最小。不同廠家生產的同一規(guī)格碳纖維，可能是由于不同廠家的原料、工藝、技術水平不同導致產品結構存在差異，因而經不同溫度處理后，拉伸強度的損失不同。

2.2.2溫度對單絲斷裂伸長率的影響

從圖4結果看，三種碳纖維的斷裂伸長率變化規(guī)律基本一致。經較低溫度(200 ℃)處理后，斷裂伸長率與常溫條件下差異不大，說明此溫度條件對碳纖維結構沒有明顯的影響；而經500 ℃處理后，由于溫度較高，對碳纖維結構有較大影響，因此，拉伸強度和斷裂伸長率都發(fā)生了較大的改變；在800 ℃條件下處理后，碳纖維內部結構得到一定優(yōu)化，延伸性能得到改善，因此，斷裂伸長率又出現了提升，但強度卻一直處于降低趨勢。

圖4　不同處理溫度對單絲斷裂伸長率的影響

2.3　復絲拉伸強度和斷裂伸長率隨溫度的變化

2.3.1溫度對復絲拉伸強度的影響

三種碳纖維經過高溫處理后，由于800 ℃處理后的碳纖維出現了損傷，復絲纖維出現了斷裂，雖然可以進行單纖維測試，但按照GB/T 3362—2005《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》要求，不能再上膠進行復絲強伸性試驗，因此，本試驗中只給出了經200和500 ℃處理后的復絲測試結果，見表2和表3。

表2　不同溫度處理后碳纖維復絲的拉伸強度

表3　不同溫度處理后碳纖維復絲拉伸強度的損失率

由表2可知，經過高溫處理后碳纖維復絲的拉伸強度整體上也呈下降的趨勢，而且溫度越高，拉伸強度的下降越明顯。表3是三種纖維經過高溫處理后的復絲拉伸強度的損失率，從表中結果可以看出：在200和500 ℃時，都是東麗碳纖維復絲的拉伸強度損失最大，而東邦碳纖維復絲的拉伸強度損失最小。從碳纖維拉伸強度的損失率來看，復絲與單絲的損失并不一致，可能是復絲有上膠程序，而該程序的操作目前標準中只是通過簡單文字描述，由測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，會對測試結果有一定影響。

2.3.2溫度對復絲斷裂伸長率的影響

從表4可以看出，經過高溫處理的碳纖維復絲的斷裂伸長率整體上呈下降趨勢，在500 ℃時，雖然東邦碳纖維復絲的斷裂伸長率有略微增加，但仍低于未處理碳纖維復絲的斷裂伸長率。

表4　不同溫度處理后碳纖維復絲的斷裂伸長率

3結語

通過對不同廠家生產的同型號碳纖維進行高溫處理后的試驗結果分析，得到下列結論：

(1)經高溫處理后，碳纖維表面漿料由于高溫作用而分解，碳纖維復絲黏著力較弱或消失，使復絲呈松散狀態(tài)；而在過高的溫度條件下，復絲因含雜質會與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應，導致復絲斷裂。

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

(3)從碳纖維拉伸強度的損失率來看，同一廠家生產的同一規(guī)格碳纖維，復絲與單絲的損失并不一致?？赡苁且驗閺徒z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，從而對測試結果有一定影響。

參考文獻

[1]郭慧,黃玉東,劉麗,等.T300和國產碳纖維本體的力學性能對比及其分析[J].宇航學報, 2011, 30(5)：2068-2072.

[2]石曉斌,許正輝.不同處理溫度對聚丙烯腈基碳纖維力學性能影響規(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.高溫熱處理對PAN基碳纖維結構和力學性能的影響[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

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