王春文，常新龍，胡 寬，張 青，張有宏，王 偉

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

隨著科學技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，碳纖維復合材料的使用范圍也變得越來越廣泛，例如航空航天、交通運輸、汽車與造船等領(lǐng)域[1-2]。然而，碳纖維復合材料的傳統(tǒng)固化方法存在著固化產(chǎn)物質(zhì)量不均勻、溫度梯度大、固化周期長等問題[1-2]。微波固化技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題提供了解決方案。在碳纖維復合材料固化方面，微波固化技術(shù)因其獨特的加熱機理使得固化過程加熱均勻，固化效率大大提高，固化產(chǎn)物的性能得到了改善。為推進微波固化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)外研究者采取眾多的研究方法對微波固化產(chǎn)物的性能進行了研究。Joshi等通過研究發(fā)現(xiàn)微波固化與熱固化結(jié)合的方法比采用高壓釜固化快2.5倍，能量消耗僅為高壓釜固化的1/4，而且產(chǎn)物的拉伸和彎曲性能要優(yōu)于高壓釜固化產(chǎn)物的相關(guān)性能[3]。國內(nèi)的研究者通過改造現(xiàn)有熱固化設(shè)備，在傳統(tǒng)的熱固化設(shè)備高壓罐中引入微波，也得到了相比于傳統(tǒng)高壓釜固化力學性能更好的產(chǎn)物[4-5]。國內(nèi)的李迎光等研究者針對微波難以穿透和加熱多向碳纖維增強樹脂基復合材料的問題展開了研究，并提出了一種利用金屬條激發(fā)垂直穿透微波的新方法，可以直接加熱多向碳纖維增強聚合物復合材料[6]。陳平[7]和馬仁利[8]等通過研究發(fā)現(xiàn)微波固化技術(shù)不僅會縮短固化時間而且不會改變產(chǎn)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)。張青等通過改進微波固化工藝得到了孔隙率更低的產(chǎn)物，而且力學性能與熱固化產(chǎn)物基本相當[9]。王大為等通過改進改性雙馬樹脂及復合材料的微波固化工藝，得到了與熱壓罐工藝性能相當?shù)墓袒a(chǎn)物[10]。梳理文獻發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)在對微波固化過程中材料的各項性能進行實時監(jiān)測進而解釋微波固化產(chǎn)物性能變化方面報道較少。為進一步研究微波固化過程中材料溫度變化以及應(yīng)變變化對材料性能的影響，本文使用相同的固化工藝分別對層合板進行熱固化以及微波固化實驗，利用T700碳纖維復合材料預浸料制作層合板試件，在試件中埋入FBG傳感器和熒光光纖傳感器，監(jiān)測層合板的微波固化過程以及熱固化過程，通過對微波固化和熱固化后試件的溫度分布、應(yīng)變變化進行對比分析以及分別對其進行DSC測試和拉伸性能測試，研究碳纖維復合材料預浸料微波固化后的力學性能變化及其機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料和設(shè)備

威海光威復合材料公司生產(chǎn)的單向T700碳纖維預浸布是本次試驗的原材料，厚度為0.2 mm，纖維單位面積質(zhì)量100 g/m2，樹脂含量30%。傳感器選擇FBG傳感器和熒光光纖傳感器；選用METTLER TOLEDO公司的DSC822型DSC測試儀測試固化產(chǎn)物的固化度；選用深圳新三思材料檢測公司的CMT 5205型電子萬能試驗機開展拉伸試驗；選用重慶銀河試驗儀器有限公司的熱固化試驗設(shè)備LR016型電烘箱開展熱固化試驗；微波固化裝置頻率為2.45 GHz，功率為 10 kW，自研制。

1.2 光纖埋入與固化工藝

為了監(jiān)測固化過程中的溫度均勻度和應(yīng)變變化，將FBG傳感器(S1，S2，T1，T2)分為兩組，其中T1與T2分別用毛細玻璃管封裝。首先對試驗用的FBG傳感器進行熱敏感系數(shù)和應(yīng)變敏感系數(shù)的測定，本文依據(jù)文獻[11]中提供的試驗方法對本文所用的FBG傳感器進行了熱敏感系數(shù)和應(yīng)變敏感系數(shù)的標定，經(jīng)多組試驗測試得到的應(yīng)變敏感系數(shù)為1.2 pm/με，熱敏感系數(shù)如表1所示。

表1 FBG傳感器的熱敏感系數(shù)

將分組后的FBG傳感器垂直于纖維方向分別埋入200 mm×250 mm×3 mm的熱固化和微波固化單向[0，15]碳纖維復合材料層合板，F(xiàn)BG最終的鋪設(shè)方式為[O7，F(xiàn)BG，O8]。同時，為監(jiān)測碳纖維復合材料層合板表面微波固化過程中的溫度變化，將三根熒光光纖傳感器(Y1，Y2，Y3)等距地粘貼在層合板表面A、B、C三點處。圖1所示為傳感器在微波固化試件中的位置。

圖1 微波固化試件中傳感器放置示意圖

層合板的熱固化工藝為80 ℃/1 h+120 ℃/1.5 h，升溫速率為1 ℃/min。對層合板進行微波固化時，保溫溫度和時間與熱固化一致，升溫速率通過改變微波功率來控制。熱固化與微波固化過程中均采用真空袋輔助施壓來對固化過程加壓，以保證固化產(chǎn)物性能。圖2所示為真空袋輔助系統(tǒng)示意圖。圖3所示為層合板正在微波固化。

圖2 真空袋輔助系統(tǒng)示意圖

圖3 固化過程中的層合板

1.3 性能測試

1) DSC測試：以未固化的層合板為參考，分別對熱固化試件和微波固化試件進行固化度測試。具體方法為：升溫速率10 ℃/min，溫度變化范圍25～300 ℃，氮氣氣氛，50 mL/min。

2) 拉伸性能測試：依據(jù)國標( GB/T 3354—2014)制作相應(yīng)的拉伸試件并進行拉伸性能測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波加熱機理

微波對碳纖維復合材料的加熱機理與常規(guī)的加熱方式不同。碳纖維復合材料常規(guī)的加熱方式是通過外部熱源產(chǎn)熱，熱量以熱傳導的方式傳遞給被加熱物體，使得碳纖維復合材料固化[1]。微波對碳纖維復合材料的加熱是“體加熱”。微波作用于碳纖維復合材料，使得碳纖維復合材料自身產(chǎn)熱，加熱效率比常規(guī)的加熱方式有了很大的提升[2]。微波加熱碳纖維復合材料的熱源主要有兩個：一是微波對碳纖維復合材料樹脂基體的作用。在碳纖維復合材料的樹脂基體中存在大量的極性分子。極性分子在變化的電場中會發(fā)生轉(zhuǎn)向極化，直至與電場方向一致。微波場中，無序排列的極性分子在方向和大小交替變化的電磁場的作用下，不間斷的進行轉(zhuǎn)向極化，在極化過程中極性分子之間相互碰撞摩擦，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能[2]。二是由于碳纖維具有較高的介電性能，微波場作用于碳纖維使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流流經(jīng)介質(zhì)引起介質(zhì)發(fā)熱，將熱量傳遞給周圍的樹脂基體，從而加熱樹脂基體[2]。以上兩項熱源使得微波加熱比常規(guī)加熱速率更快，也使得微波加熱物體均勻性更好。

2.2 固化過程中的溫度變化分析

如圖4所示，在第一保溫平臺上，微波固化和熱固化的溫度變化沒有明顯差異。第二升溫階段，微波固化試件與熱固化試件的升溫曲線較為一致。當達到 120 ℃保溫平臺時，熱固化試件的溫度繼續(xù)上升直至130 ℃，而后降至120 ℃保溫。與熱固化試件相對比，微波固化試件在保溫階段溫度有一定起伏變化。對以上現(xiàn)象進行分析認為，在熱固化過程中由于熱傳導的加熱方式，在試件達到保溫溫度時，電烘箱的腔體溫度并未達到相應(yīng)的保溫溫度，電烘箱仍然繼續(xù)工作，因此，熱固化過程出現(xiàn)了130 ℃的峰值溫度。在第二保溫階段，熱固化在保溫后期的溫度較為穩(wěn)定，微波固化溫度上下波動。分析認為，熱固化是傳導加熱，通過加熱空氣和模具將溫度傳導至試件，電烘箱爐腔內(nèi)的溫度均達到120 ℃，保溫控制效果較好。然而，微波固化具有選擇性加熱的特點，在腔體內(nèi)部試件吸收了絕大多數(shù)的微波能，腔體內(nèi)部的其余部件幾乎不被加熱，在試件與空氣之間將會形成換熱，故使得溫度波動較大；其次，微波固化過程的保溫階段，當達到預設(shè)的保溫溫度后，微波功率降低，此時沒有外界熱源加熱，試件與外界環(huán)境存在溫度梯度，導致溫度的變化響應(yīng)更快，降溫幅度更大，因此在保溫階段微波固化過程出現(xiàn)了鋸齒形的升降溫現(xiàn)象。微波固化試件在降溫時由于內(nèi)外溫差較大，所以速率較快。

圖4 FBG傳感器檢測到的固化溫度曲線

如圖5所示，在兩個溫度上升的階段和第一保溫平臺，微波固化試件內(nèi)部溫度與表面溫度基本一致。在第二保溫階段，由于微波功率變化較大，而且微波固化試件表面與空氣換熱較為明顯，因此試件內(nèi)部與表面溫度出現(xiàn)了一定的溫度差。在微波固化試件表面A、B、C三個監(jiān)測點的溫度在固化過程中的變化趨勢基本一致，排除掉測量誤差，同時刻溫度差異在±2 ℃之內(nèi)，說明在層合板在微波固化過程中層合板外表面整體溫度分布較為均勻，這有利于保證固化產(chǎn)物的性能。分析認為，一方面，由于碳纖維介電損耗因子較高，在微波輻照的作用下，通過碳纖維的電導損耗將微波能轉(zhuǎn)化為熱能耗散在材料內(nèi)部，材料整體被加熱，使得加熱較為均勻，材料沿厚度方向溫度梯度較??；另一方面，預浸料中的環(huán)氧樹脂等極性分子在微波的作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向極化，極性分子的碰撞、碰磨也會產(chǎn)生一部分熱量。微波具有較強的穿透性，并且碳纖維復合材料板件較薄，微波可以同時作用于材料不同厚度及不同位置，會在試件內(nèi)部形成均勻的溫度場和固化度場，從而實現(xiàn)“整體加熱”。

圖5 微波固化試件表面及內(nèi)部溫度曲線

2.3 固化過程中應(yīng)變變化分析

圖6和圖7所示為熱固化試件內(nèi)部和微波固化試件內(nèi)部在固化過程的應(yīng)變變化情況。如圖6所示，在升溫階段，熱固化試件內(nèi)部的應(yīng)變逐漸減小，變化幅度較??；當達到第二保溫階段時，固化反應(yīng)的化學收縮使得試件內(nèi)部出現(xiàn)了收縮應(yīng)變；固化反應(yīng)結(jié)束之后，試件開始冷卻，材料內(nèi)部的收縮應(yīng)變持續(xù)增大，最終達到了-6 258 με。

圖6 熱固化試件內(nèi)部應(yīng)變曲線

圖7 微波固化試件內(nèi)部應(yīng)變曲線

如圖7所示，微波固化試件內(nèi)部在升溫階段出現(xiàn)了一定的應(yīng)變變化，變化幅度較小；在保溫階段，微波固化試件內(nèi)部出現(xiàn)了化學收縮引起的收縮應(yīng)變；但在冷卻階段，相比于熱固化試件，微波固化試件應(yīng)變變化幅度較小，最終內(nèi)部應(yīng)變?yōu)?83 με。對比兩種固化方式下的試件內(nèi)部應(yīng)變變化發(fā)現(xiàn)，微波固化產(chǎn)物的固化殘余應(yīng)力遠小于熱固化產(chǎn)物。在對圖5微波固化試件表面溫度與試件內(nèi)部溫度的分析中得出了微波固化可以降低試件內(nèi)外溫度梯度，在試件內(nèi)部形成較為均勻的溫度場以及固化度場，從而減少了熱應(yīng)力以及固化收縮應(yīng)力，因此使得微波固化試件的殘余應(yīng)變遠小于熱固化試件的殘余應(yīng)變。說明微波固化在改善材料性能方面會發(fā)揮積極的作用。

2.4 DSC測試結(jié)果分析

從圖8未固化、微波固化和熱固化產(chǎn)物的DSC測試結(jié)果可看出未固化產(chǎn)物有明顯的放熱峰，經(jīng)過固化之后，熱固化以及微波固化產(chǎn)物均未出現(xiàn)放熱峰，說明本次實驗的兩種固化方式均已將試件完全固化。

圖8 DSC測試曲線

2.5 拉伸性能測試結(jié)果分析

圖9與圖10所示為對熱固化試件和微波固化試件進行拉伸性能測試得到的結(jié)果。對樣本中的數(shù)據(jù)取平均值得到表2中熱固化產(chǎn)物與微波固化產(chǎn)物的彈性模量與拉伸強度。產(chǎn)物相較于熱固化產(chǎn)物性能以及性能的離散性更好。

圖9 固化產(chǎn)物拉伸性能曲線

圖10 固化產(chǎn)物拉伸性能曲線

表2 固化產(chǎn)物拉伸性能

由表2可得，經(jīng)微波固化后的試件彈性模量與拉伸強度均稍高于經(jīng)熱固化后的試件彈性模量和拉伸強度。在拉伸破壞應(yīng)變方面，熱固化試件要稍高于微波固化試件。經(jīng)微波固化后的產(chǎn)物拉伸強度的離散系數(shù)為2.19%，拉伸模量的離散系數(shù)為1.82%，均小于經(jīng)熱固化后的產(chǎn)物拉伸模量和拉伸強度的離散系數(shù)。分析認為，在微波固化過程中，由于碳纖維在微波照射后響應(yīng)快，而且固化過程中碳纖維的電導加熱起了很大作用，從而使得在碳纖維與樹脂接觸面受熱充分，在試件內(nèi)部形成了均勻的溫度場以及固化度場，從而減少了熱應(yīng)力以及固化應(yīng)力的產(chǎn)生，使得微波固化產(chǎn)物中固化殘余應(yīng)力較小，使得試件性能較為均勻，提升了產(chǎn)物的質(zhì)量。因此微波固化

3 結(jié)論

1) 微波固化與熱固化過程應(yīng)變變化趨勢基本相同，微波固化試件內(nèi)部的最終應(yīng)變?yōu)?83 με，遠遠小于熱固化試件的-6 258 με。表明在降低固化產(chǎn)物的固化殘余應(yīng)變方面，微波固化相比于熱固化有一定的優(yōu)勢。

2) 微波固化試件的拉伸強度和拉伸模量分別為1 626.34 MPa和118.04 GPa均高于熱固化試件的1 580.17 MPa和112.35 GPa，而且微波固化試件的拉伸強度與拉伸模量離散系數(shù)分別為2.19和1.82均小于熱固化試件的6.16和5.27。說明微波固化的“體加熱”可以使試件固化更為均勻，試件固化質(zhì)量更好，有利于提升產(chǎn)物的拉伸性能。