HKT800炭纖維纏繞成型復(fù)合材料性能①

顧紅星，王浩靜，薛林兵，趙佑軍，龐培東

(1.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安　710119；2.江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司，鎮(zhèn)江　212132)

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HKT800炭纖維纏繞成型復(fù)合材料性能①

顧紅星1,2，王浩靜1,2，薛林兵1,2，趙佑軍1,2，龐培東1,2

(1.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安710119；2.江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司，鎮(zhèn)江212132)

為驗(yàn)證國產(chǎn)HKT800炭纖維纏繞成型復(fù)合材料性能，分別用KH樹脂與WH、XA和LN樹脂對比，在相同纏繞工藝下，制備了φ400 mm、φ150 mm復(fù)合材料殼體和1.6 L復(fù)合材料壓力容器，并進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)。HKT800炭纖維/KH樹脂纏繞φ400 mm殼體爆破壓力達(dá)到了16.2 MPa，φ150 mm殼體爆破壓力達(dá)到了34.8 MPa，1.6 L容器爆破壓力為89.6 MPa。HKT800炭纖維力學(xué)性能轉(zhuǎn)化率可達(dá)到80 %以上，充分證明濕法制備的T800級炭纖維完全適用于纏繞成型工藝，基體樹脂和成型工藝參數(shù)對纏繞成型復(fù)合材料器件性能均有較大影響。

炭纖維；纏繞工藝；復(fù)合材料；性能

0　引言

炭纖維纏繞成型能夠依據(jù)復(fù)合材料受力情況進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，使炭纖維的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，具有比強(qiáng)度高、可靠性高、生產(chǎn)效率高、成本低等系列優(yōu)點(diǎn)，已成為炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要的成型工藝之一[1-4]。纏繞成型可廣泛用于火箭殼體、壓力容器、管道等系列復(fù)合材料產(chǎn)品的制造，已發(fā)展較成熟。產(chǎn)品制備過程中，需要注意的是浸膠方式、膠液含量、張力控制、固化工藝等關(guān)鍵工藝點(diǎn)。此外，最為重要的就是原材料方面，主要有炭纖維和基體樹脂兩部分[5-7]。

目前，國內(nèi)應(yīng)用到纏繞成型工藝中的炭纖維材料主要是T700炭纖維，其拉伸強(qiáng)度為4.9 GPa，拉伸模量為230 GPa，斷裂伸長率2.1 %，炭纖維單絲直徑為7 μm，因干噴濕紡工藝制備，纖維表面光滑。T800級炭纖維產(chǎn)品，國內(nèi)以前沒有能力生產(chǎn)，又無從購買。所以，基本沒有相關(guān)應(yīng)用和驗(yàn)證。HKT800炭纖維是最早國產(chǎn)化的高強(qiáng)中模型炭纖維，拉伸強(qiáng)度為5.6 GPa，模量為290 GPa，斷裂伸長為1.9 %。與T700炭纖維相比，模量提高很多，纖維脆性更大，炭纖維直徑為5 μm，比T700炭纖維小，另因濕法紡絲工藝，炭纖維表面存有大量溝槽?？傊?，HKT800炭纖維與已經(jīng)應(yīng)用較成熟的T700炭纖維產(chǎn)品有諸多不同，是否適宜纏繞成型工藝，需要具體的應(yīng)用驗(yàn)證。

濕法纏繞成型基體樹脂要有優(yōu)異的力學(xué)性能外，還需要其在使用溫度下具有較低的初始粘度，以及在該溫度下能夠保持較長時(shí)間(即適用期)的低粘度狀態(tài)[8-10]。目前，針對T700炭纖維材料的纏繞成型樹脂體系較多，根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域不同，或者應(yīng)用單位的不同，都有各自的樹脂體系，HKT800炭纖維作為國產(chǎn)新型炭纖維產(chǎn)品，與現(xiàn)有纏繞成型樹脂體系的匹配性如何等系列問題，也需要具體驗(yàn)證。

綜上所述，為驗(yàn)證國產(chǎn)HKT800炭纖維產(chǎn)品在纏繞成型工藝方面的可用性，本文將其與系列不同環(huán)氧樹脂體系結(jié)合進(jìn)行了纏繞成型復(fù)合材料的制備，并進(jìn)行了性能方面的檢測與對比分析。

1　材料與方法

1.1材料

HKT800炭纖維，6 K，拉伸強(qiáng)度5.6 GPa，彈性模量290 GPa，斷裂伸長1.9 %，濕法紡絲工藝制備，表面上漿劑主成分為環(huán)氧樹脂，上漿劑含量1.8 %，江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司生產(chǎn)。

環(huán)氧樹脂選用4種纏繞成型用樹脂體系，具體為KH環(huán)氧樹脂，江蘇科航纖維科技有限公司專門為HKT800炭纖維研制的纏繞成型用環(huán)氧樹脂；WH、XA和LN環(huán)氧樹脂，其他單位纏繞成型專用環(huán)氧樹脂體系。

1.2測試表征

對KH樹脂和WH樹脂進(jìn)行了流變、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和力學(xué)性能的測試，并用濕法制備了HKT800炭纖維預(yù)浸料，然后對復(fù)合材料含膠量(纖維體積分?jǐn)?shù))、孔隙率以及單向板拉伸性能等進(jìn)行了測試分析，利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的五軸纏繞成型設(shè)備，分別以KH樹脂、WH樹脂與HKT800炭纖維纏繞成型了φ400 mm復(fù)合材料殼體，并進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)；以KH樹脂、XA樹脂與HKT800炭纖維纏繞成型了φ150 mm復(fù)合材料殼體，并進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)；以KH樹脂、LN樹脂與HKT800炭纖維利用金屬鋁內(nèi)膽纏繞成型了1.6 L復(fù)合材料壓力容器，并進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)方法GB/T 15385—2011，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 28053—2011。

2　結(jié)果及討論

2.1HKT800/KH和HKT800/WH對比分析

2.1.1KH樹脂和WH樹脂性能

圖1為KH樹脂體系和WH樹脂體系的升溫流變性能，2種樹脂在60～120 ℃均具有很高的流動(dòng)性，粘度在0.04～0.1 Pa·s范圍內(nèi)，KH樹脂凝膠溫度為129 ℃，WH樹脂凝膠溫度為145 ℃，說明KH樹脂體系反應(yīng)速度更快，相對于WH樹脂體系，固化溫度和固化時(shí)間可大幅縮短，有利于復(fù)合材料制造成本的降低。

表1為KH和WH樹脂體系澆注體性能，2種樹脂體系沖擊強(qiáng)度相近，即韌性相近，但WH樹脂彎曲模量和強(qiáng)度相對略高一些，兩者力學(xué)性能的綜合對比，還需進(jìn)一步考察其他指標(biāo)。雖然WH樹脂所需固化時(shí)間和固化溫度均高于KH樹脂體系，但兩者玻璃化溫度分別為149、152 ℃，十分接近，即其耐熱性能相近。

圖1　環(huán)氧樹脂升溫流變性能

表1　樹脂澆注體性能

2.1.2HKT800/KH和HKT800/WH復(fù)合材料性能

復(fù)合材料層合板制備采用濕法預(yù)浸料/模壓成型工藝。預(yù)浸料制備工藝條件完全相同，經(jīng)測試，KH樹脂體系預(yù)浸料含膠量45 %，明顯高于WH樹脂體系預(yù)浸料的33 %，說明KH樹脂對HKT800炭纖維有更好的浸潤性，制備預(yù)浸料過程中，炭纖維表面能粘附更多的樹脂。通過層合板孔隙率測試，HKT800炭纖維/KH樹脂層合板孔隙率接近0，孔隙缺陷很少，內(nèi)部質(zhì)量較好。而HKT800炭纖維/WH樹脂單向板由于預(yù)浸料含膠量偏低，且樹脂浸潤性相對偏差，形成有明顯的孔隙缺陷，孔隙率接近0.7 %，復(fù)合材料內(nèi)部顯微照片見圖2。

參照GB/T 3354—1999測試，HKT800炭纖維/WH樹脂單向板。拉伸強(qiáng)度和模量分別為2 360 、200.7 GPa，HKT800炭纖維/KH樹脂單向板。拉伸強(qiáng)度和模量分別為2 329 、164.8 GPa。2種復(fù)合材料中的纖維體積分?jǐn)?shù)分別為67 %、55 %，相差較大，無法進(jìn)行復(fù)合材料性能的比較，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便于不同材料體系的性能對比分析。選擇以纖維體積含量60 %為基準(zhǔn)，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的具體結(jié)果見表2。

(a) HKT800炭纖維/WH樹脂　(b) HKT800炭纖維/KH樹脂

表2　復(fù)合材料單向板力學(xué)性能

從表2可見，不同樹脂體系相同纖維體積分?jǐn)?shù)下的復(fù)合材料單向板拉伸模量幾乎相等，這與炭纖維單向板拉伸模量由炭纖維模量及含量決定的規(guī)律相符。對于拉伸強(qiáng)度，不同樹脂體系的差異比較明顯，HKT800炭纖維/KH樹脂單向板拉伸強(qiáng)度達(dá)到2 541 MPa，而HKT800炭纖維/WH樹脂單向板僅為2 113 MPa，KH樹脂制備的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度明顯高于WH樹脂體系，證明相同條件下KH樹脂體系與HKT800炭纖維的匹配性相對較好。當(dāng)然，此時(shí)尚未完全發(fā)揮出HKT800炭纖維的優(yōu)勢。所以，該樹脂體系還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

2.1.3HKT800/KH和HKT800/WH纏繞成型復(fù)合材料殼體性能

為驗(yàn)證HKT800炭纖維在纏繞成型工藝性，在相同工藝條件下，分別以KH樹脂和WH樹脂為基體，用HKT800炭纖維纏繞成型制備了φ400 mm復(fù)合材料殼體，并進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)。

表3為HKT800炭纖維分別以KH樹脂、WH樹脂纏繞成型殼體水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果。雖然工藝設(shè)計(jì)完全相同，測試平臺等條件也一致，但不同材料體系存在明顯差異。

從表3可看到，復(fù)合材料殼體設(shè)計(jì)厚度均為1.9 mm，設(shè)計(jì)水壓爆破壓力為13.1 MPa，HKT800炭纖維/KH樹脂纏繞成型殼體水壓爆破值達(dá)到了16.2 MPa，超出設(shè)計(jì)值3 MPa之多，而HKT800炭纖維/WH樹脂纏繞成型殼體水壓爆破值僅11.8 MPa，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，對比說明KH樹脂體系與HKT800炭纖維匹配性更好，能使HKT800炭纖維的力學(xué)性能得到更有效轉(zhuǎn)化。

表3　φ400 mm復(fù)合材料殼體水壓爆破結(jié)果

2.2HKT800/KH和HKT800/XA對比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證HKT800炭纖維在纏繞成型工藝方面的可用性及其與KH樹脂體系的匹配性，分別以KH樹脂和XA樹脂為基體，用HKT800炭纖維纏繞成型制備了φ150 mm復(fù)合材料殼體，并進(jìn)行了系列水壓爆破試驗(yàn)。

表4為HKT800炭纖維纏繞φ150 mm復(fù)合材料殼體水壓爆破性能，殼體設(shè)計(jì)厚度為1.5 mm，設(shè)計(jì)爆破壓力為33 MPa，HKT800炭纖維/KH樹脂纏繞成型殼體水壓爆破平均值達(dá)到了34.8 MPa，超出設(shè)計(jì)值，炭纖維力學(xué)性能轉(zhuǎn)化率達(dá)到80 %以上，HKT800炭纖維/XA樹脂纏繞成型殼體水壓爆破平均值僅30.2 MPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)值，比HKT800炭纖維/KH樹脂纏繞成型殼體低4.6 MPa，炭纖維轉(zhuǎn)化率70 %左右。同樣，KH樹脂體系與HKT800炭纖維的匹配性優(yōu)于XA樹脂體系，更有益于HKT800炭纖維力學(xué)性能發(fā)揮。

表4　φ150 mm復(fù)合材料殼體水壓爆破結(jié)果

上述HKT800炭纖維纏繞成型復(fù)合材料殼體水壓爆破試驗(yàn)可證明，HKT800適宜于纏繞成型工藝，如果使用匹配的樹脂體系，炭纖維力學(xué)性能也能得到有效發(fā)揮，不存在所謂濕法紡絲工藝制備的T800級炭纖維因表面有大量溝槽、模量較高及單絲更細(xì)，而不能進(jìn)行纏繞成型等問題。

2.3HKT800/KH和HKT800/LN對比分析

為驗(yàn)證HKT800炭纖維產(chǎn)品在具體纏繞成型器件方面的性能，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步研究了HKT800炭纖維與不同樹脂體系相結(jié)合制備1.6 L復(fù)合材料壓力容器的工藝性和力學(xué)性能。

復(fù)合材料壓力容器以6061標(biāo)準(zhǔn)鋁內(nèi)膽為內(nèi)襯，用HKT800炭纖維纏繞成型，公稱容積1.6 L，設(shè)計(jì)重量1.2 kg。其中，炭纖維用量0.24 kg。共設(shè)計(jì)3種方案：LN樹脂，纏繞張力60 N；LN樹脂，纏繞張力20 N；KH樹脂，纏繞張力20 N，其他工藝參數(shù)完全一致。具體結(jié)果見圖3和表5。

可看到，HKT800炭纖維以LN樹脂為基體60 N張力纏繞成型復(fù)合材料壓力容器，水壓爆破壓力為87.2 MPa，容積變形率E為7.70 %，破口部位居于中部，破口形狀為直線型，斷口特征屬于塑形變形，破壞模式正常。因成型時(shí)纏繞張力為60 N，炭纖維繃緊程度較高，水壓爆破時(shí)容積變形率較小，復(fù)合材料崩裂時(shí)，纖維較為碎散。

HKT800炭纖維以LN樹脂為基體20 N張力纏繞制備的復(fù)合材料壓力容器，水壓爆破壓力為82.9 MPa，因纏繞張力降低，爆破壓力明顯減小，容積變形率得到增大，變?yōu)?4.4 %。破口部位居于中部，形狀為直線型，斷口特征屬于塑形變形，破壞模式正常，同種樹脂基體，成型時(shí)，纏繞張力減為20 N，纖維繃緊程度降低，爆破時(shí)，纖維延伸空間變大，變形率增大，復(fù)合材料崩裂程度沒有大張力時(shí)更為明顯。

表5　復(fù)合材料壓力容器水壓爆破結(jié)果

纏繞張力保持20 N不變，以KH樹脂為基體纏繞制備復(fù)合材料壓力容器，水壓爆破壓力達(dá)到89.6 MPa，容積變形率為8.3 %。與同條件下LN樹脂體系相比，爆破壓力提高了8.1 %，復(fù)合材料力學(xué)性能得到了很大程度的提升，破口部位居于中部，破口形狀為直線型，斷口特征屬于塑形變形，破壞模式正常。與相同條件下LN樹脂制備樣品相比，炭纖維斷口部位更為集中，直線型更加明顯，這也說明KH樹脂體系能夠使纖維受力更加一致，使性能轉(zhuǎn)化更高，爆破壓力增加。

對比HKT800炭纖維不同樹脂體系下纏繞成型復(fù)合材料壓力容器試驗(yàn)結(jié)果，同樣的炭纖維用量條件下，大張力纏繞制備樣品，因纖維繃緊程度高，復(fù)合材料爆破壓力會有一定程度增加。KH樹脂體系相比LN樹脂體系，更有益于纖維力學(xué)性能的發(fā)揮，即便低張力條件下制備的樣品檢測結(jié)果，也高出了大張力制備的LN樹脂體系樣品，充分體現(xiàn)了KH樹脂體系與HKT800炭纖維的較高匹配性和纏繞成型工藝下的優(yōu)勢。

3　結(jié)論

(1)HKT800炭纖維在纏繞成型工藝下制備的多種規(guī)格樣品都體現(xiàn)出了T800級炭纖維產(chǎn)品的優(yōu)勢。水壓爆破試驗(yàn)，炭纖維力學(xué)性能轉(zhuǎn)化率達(dá)到了80 %以上，完全能夠滿足纏繞工藝條件下的產(chǎn)品研制和應(yīng)用需要。

(2)相同制備工藝條件下，HKT800炭纖維以不同樹脂基體制備的復(fù)合材料性能有明顯差異，充分說明基體樹脂對于炭纖維產(chǎn)品力學(xué)性能發(fā)揮的重要性。

(3)KH樹脂體系，與其他樹脂體系相比，在HKT800炭纖維纏繞成型方面具有一定優(yōu)勢，能夠保證纖維力學(xué)性能的有效發(fā)揮，從復(fù)合材料性能看，KH樹脂體系還有一定的優(yōu)化空間。

(4)針對不同炭纖維產(chǎn)品和基體樹脂，纏繞成型工藝中的張力控制、膠液控制等具體參數(shù)，均需要適時(shí)調(diào)整，才能更加有效保證復(fù)合材料性能的綜合提高。

致謝：感謝北京航空航天大學(xué)等科研院所以及遼寧美托公司等單位在本文工作中提供的幫助。

[1]阮崇智.大型纖維纏繞復(fù)合材料殼體的結(jié)構(gòu)-工藝設(shè)計(jì)問題[J].固體火箭技術(shù), 1995, 18(2): 1-9.

[2]陳汝訓(xùn).纖維纏繞圓環(huán)壓力容器設(shè)計(jì)分析[J].固體火箭技術(shù), 2006, 29(6): 446-450.

[3]張興宏, 趙珂, 陳剛.纖維纏繞殼體的成型工藝[J].航天工藝, 2001, 32(1): 16-20.

[4]刑靜忠, 陳利, 孫穎.纖維纏繞厚壁柱形壓力容器的應(yīng)力和應(yīng)變[J].固體火箭技術(shù), 2009, 32(6): 680-689.

[5]張世杰, 王汝敏, 廖英強(qiáng), 等.碳纖維延伸率對殼體性能的影響[J].固體火箭技術(shù), 2013, 36(5): 683-710.

[6]鄭紅飛, 郭曉東, 栗永鋒.高性能環(huán)氧/碳纖維纏繞殼體制備及性能研究[J].航空制造技術(shù), 2012, 57(8): 77-82.[7]李偉, 高維佳, 陳平, 等.連續(xù)纖維增強(qiáng)PEK-C復(fù)合材料纏繞成型工藝及性能研究[J].固體火箭技術(shù), 2011, 34(2): 261-264.

[8]王斌, 楊建奎, 丘哲明.濕法纏繞用環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)研究[J].固體火箭技術(shù), 1998, 21(3): 64-67.

[9]王曉潔, 張煒, 劉炳禹.碳纖維濕法纏繞基體配方及成型研究[J].固體火箭技術(shù), 2001, 24(1): 60-63.

[10]陳偉明, 王成忠, 周同悅, 等.濕法纏繞用T800碳纖維復(fù)合材料基體研究[J].化工新型材料, 2005, 33(12): 45-47.

(編輯：崔賢彬)

Properties of HKT800 carbon fiber composite in winding process

GU Hong-xing1, 2, WANG Hao-jing1, 2, XUE Lin-bing1, 2, ZHAO You-jun1, 2, PANG Pei-dong1, 2

(1.Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences,Xi'an710119, China;2.Jiangsu Hangke Composite Materials Technology Company of Limited Liability,Zhenjiang212132, China)

In order to verify the properties of HKT800 carbon fiber composite in winding process,φ400 mm,φ150 mm composite shell and 1.6 L pressure vessel were prepared with KH resin and other resin using the same winding process, and then the water pressure blasting tests were carried out. Blasting pressure ofφ400 mm HKT800 carbon fiber/KH resin composite shell reaches 16.2 MPa, andφ150 mm shell reaches 34.8 MPa, the explosion pressure of 1.6 L composite pressure vessel is 89.6 MPa, the mechanical properties conversion rate of HKT800 carbon fiber is more than 80 %, which prove T800 carbon fiber made by wet process is very suitable for winding process. The same reinforced carbon fibre, resin and winding process parameters has great impact on the properties of its composites.

carbon fiber；winding process；composite；properties

2015-05-04；

2015-07-17。

中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新重點(diǎn)部署項(xiàng)目(20130516)。

顧紅星(1986—)，男，博士生，研究方向?yàn)樘坷w維及其復(fù)合材料。E-mail:guhongxing@opt.cn

V254

A

1006-2793(2016)03-0392-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.03.019