王 斌，王文靜，呂鈞煒,，彭 濤，范新年，周萬立，趙春霞，李 輝

(1. 西南石油大學 材料科學與工程學院，成都 610500；2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；3. 高技術(shù)有機纖維四川省重點實驗室，成都 610041)

0 引言

高性能碳纖維增強樹脂基復合材料由于具有高比強、高比模、尺寸穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異特性，且隨著近年來碳纖維性能的提高、成本降低，以及復合材料成型制造技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復合材料在發(fā)動機、衛(wèi)星貯箱、交通運輸(天然氣瓶)、自救呼吸裝置等方面的應(yīng)用發(fā)展日趨廣泛。在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，碳纖維這種脆性復合材料對損傷非常敏感，抵抗裂紋擴展能力差，容易造成毀滅性破壞。因此，高強度、高韌性復合材料的研制開發(fā)就顯得非常重要[1-7]。

采用與高性能有機纖維混合形成混雜復合材料，提高其綜合性能，是當前復合材料研究與應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向，受到了復合材料界的普遍關(guān)注。文獻主要研究了碳纖維與玻璃纖維、Kevlar-49纖維和F-12纖維的混雜體系[8-13]，而有關(guān)碳纖維與PBO(聚對苯撐苯并雙噁唑)纖維形成混雜復合材料的文獻很少，這可能與PBO纖維商品化時間較晚有一定關(guān)系。

本文以單向復合材料為試驗對象，探討了不同混雜比、不同力學性能的碳纖維以及不同的界面粘結(jié)狀態(tài)對碳纖維/PBO混雜復合材料的力學性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

增強材料為PBO纖維(分未處理及表面處理二種類型)及高性能碳纖維(HTA-P30和T800二種類型)，基體樹脂為研制的RX2環(huán)氧樹脂/胺體系配方，其測試的主要力學性能見表1。

1.2 實驗標準和設(shè)備

單向復合材料拉伸強度σ、模量E和層間剪切強度τ的測試分別按GB 1458—88和GB 1461—88進行，在Instron4505萬能材料試驗機完成測試。SEM在日本電子公司的JSM-5800型掃描電鏡進行。

1.3 試樣制備

用碳纖維和PBO纖維浸漬RX2樹脂膠液后，按表2的層間混雜鋪層次序纏繞在模具上，固化，脫模，修裁，測試。表2中，s為對稱鋪層，P為PBO，H為HTA-P30，T為T800。

表1 原材料性能

表2 鋪層方式

2 結(jié)果與討論

2.1 混雜比的影響

混雜纖維復合材料是指采用二種或二種以上的纖維增強一種或多種樹脂基體形成復合材料，它兼顧了材料的強度、剛度和韌性等特性，克服了單一纖維復合材料的弱點，實現(xiàn)了復合材料綜合性能的優(yōu)化?；祀s效應(yīng)是混雜復合材料的一個重要特征，反映了混雜復合材料性能實測值與混合定律計算值的偏離程度。其中混雜比Vcf是混雜復合材料性能的重要影響因素之一。表3是碳纖維、PBO纖維及其層間混雜復合材料的拉伸性能對比數(shù)據(jù)，混雜復合材料的拉伸強度σ、模量E和層間剪切強度τ與混雜比的關(guān)系分別如圖1～圖6所示。從表3來看，碳纖維與PBO纖維混雜后，復合材料性能隨混雜比的變化而變化，體現(xiàn)出一定的混雜效應(yīng)，而且偏離混合定律。表3實驗數(shù)據(jù)表明，HTA-P30、T800在鋪層混雜次序和混雜比完全相同的情況下，與PBO纖維混雜后其復合材料性能有一定的差異，其與混雜比的變化關(guān)系在圖1～圖3中更為直觀。HTA-P30碳纖維與PBO纖維混雜后，拉伸強度和模量均低于混合定律計算值(圖1(a)和圖2(a))，而T800碳纖維與PBO纖維混雜后，其復合材料的拉伸強度低于混合定律計算值(圖1(b))，拉伸模量則高于混合定律計算值(圖2(b))，這可能與T800碳纖維的拉伸強度、模量和工藝性均優(yōu)于HTA-P30碳纖維有關(guān)。但無論PBO纖維與HTA-P30碳纖維混雜還是與T800碳纖維混雜，層間剪切強度均高于混合定律計算值(圖3)，且這3種性能(拉伸強度、模量和層間剪切強度)的離散系數(shù)CV均有不同程度的降低，這些說明PBO纖維的混入，有利于提高碳纖維復合材料的層間剪切性能，降低其性能的分散性。

表3 復合材料的性能比較

(a) HTA-P30與PBO混雜 (b) T-800與PBO混雜

(a) HTA-P30與PBO混雜 (b) T-800與PBO混雜

2.2 界面性能的影響

混雜界面是產(chǎn)生混雜效應(yīng)的主要原因，由于混雜界面層與單一纖維復合材料界面層不同，且為更加不均勻過渡，并以多相、多層次方式存在，使混雜纖維復合材料具有這些特異性能和功能(混雜效應(yīng))，一般用混雜效應(yīng)系數(shù)Re來衡量，不同受力狀態(tài)的Re值不同。

(a) HTA-P30與PBO混雜 (b) T-800與PBO混雜

根據(jù)混雜效應(yīng)的定義，Re可表示為

(1)

式中Mt為混雜纖維復合材料性能的實驗值；Mmr為按混合定律的計算值。

在混雜復合材料中，PBO纖維與環(huán)氧樹脂的界面屬于弱界面，其層間剪切強度只有24.6 MPa。為了研究界面粘接性能對混雜效應(yīng)的影響，本文對于PBO纖維進行了表面偶聯(lián)劑處理(處理后PBO纖維/環(huán)氧的界面粘強度比未處理可提高61.3%，而拉伸性能變化不大)[14]，提高其界面粘結(jié)性，然后將處理后的PBO纖維與T-800纖維按表2中6#、7#、8#、9#樣的鋪層混雜方式制作成試樣，分別編號為6#-1、7#-1、8#-1、9#-1，進行拉伸性能和層間剪切強度測試，計算其混雜效應(yīng)系數(shù)，測試結(jié)果列于表4，圖4是表面處理前后Vcf與Re的柱形關(guān)系圖。

表4 表面處理前后單向混雜復合材料的性能比較

圖4 表面處理前后Vcf與Re的柱形關(guān)系圖

從表4和圖4可看出，無論PBO纖維表面處理前還是處理后，混雜復合材料的σ表現(xiàn)出負混雜效應(yīng)，而E和τ表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)，且均隨混雜比的增大而降低。但是，PBO纖維經(jīng)過表面處理后，由于提高了其界面粘結(jié)性能，其σ、E、τ的Re均有不同程度的增大，其中τ的Re增幅最快，6#-1和7#-1試樣分別提高了178.6%和88.5%，這表明在混雜復合材料中，PBO纖維/環(huán)氧弱界面層粘結(jié)性能的改善，可明顯提高混雜復合材料的層間剪切性能。圖5和圖6分別是6#(處理前)和6#-1(處理后)的拉伸破壞斷口顯微照片，表面處理前，PBO纖維(圖5(b))、碳纖維(圖5(a))及其混雜斷口表面(圖5(c))夾雜樹脂塊數(shù)量少，裸露纖維多，屬弱界面破壞狀態(tài)，而處理后，碳纖維(圖6(a))及其混雜斷口表面(圖5(c))夾雜樹脂塊數(shù)量明顯增多，裸露纖維減少，且在其混雜斷口表面(圖6(c))有PBO纖維的表皮撕裂現(xiàn)象，屬稍強界面破壞狀態(tài)，能較好地傳遞層間剪切力，達到一種整體性破壞。

(a) CF(×1000) (b) PBO(×200) (c) 6# hybrid(×200)

(a) CF(×1000) (b) PBO(×200) (c) 6#-1 hybrid(×200)

3 結(jié)論

(1)在鋪層混雜次序和混雜比完全相同的情況下，所采用與PBO纖維混雜的碳纖維類型和力學性能不同，復合材料性能及其混雜效應(yīng)有較大差異。

(2)T800與PBO纖維混雜后，復合材料的強度表現(xiàn)出負混雜效應(yīng)，而模量和層間剪切強度表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)，且均隨混雜比的增大而降低。

(3)隨著PBO纖維/環(huán)氧弱界面層粘接性能的提高，其混雜復合材料的強度、模量、層間剪切強度的混雜效應(yīng)系數(shù)均有不同程度的增大，尤其是層間剪切強度的混雜效應(yīng)系數(shù)增幅最快，6#-1和9#-1試樣分別提高了88.5%和178.6%。SEM斷口與宏觀力學性能變化一致。