碳纤维经不同温度处理后的力学性能分析

碳纤维经不同温度处理后的力学性能分析*

殷祥刚1,2黄机质3王会3冯小洁1,2

(1. 无锡出入境检验检疫局，无锡,214101;

2. 江苏出入境检验检疫局纺织工业产品检测中心，无锡,214174;

3. 江南大学纺织服装学院，无锡,214122)

摘要：对三家不同企业生产的同规格6K碳纤维复丝分别进行200、500和800 ℃的高温处理，对处理前后碳纤维单丝、复丝的力学性能进行测试。结果表明：随着温度的升高，复丝表面浆料降解，复丝呈松散状态，甚至出现800 ℃时复丝纤维断裂现象；对碳纤维单丝来说，在200 ℃时美国碳纤维的强度损失最大，在500 ℃时东邦碳纤维的强度损失最大，在800 ℃时东丽碳纤维的强度损失最大，而单丝的断裂伸长率均是先降低后增加，说明不同厂家生产的同一规格碳纤维，由于原料、工艺、技术水平等的差异对碳纤维的耐高温性有显著影响；对碳纤维复丝来说，在200和500 ℃时，东丽碳纤维复丝的强度损失最大，而800 ℃时三种碳纤维复丝均出现断裂，未测试复丝力学性能。

关键词：碳纤维，高温处理，拉伸强度，断裂伸长率

中图分类号：TS157文献标志码：A

收稿日期：2014-06-06

作者简介：殷祥刚，男，1974年生，高级工程师。主要从事纺织测试技术、国内外标准法规的研究。

碳纤维作为一种新型材料，具有质量轻、密度小、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好、热膨胀系数小、抗蠕变、导电、传热等优良性能，因此碳纤维有着很广的应用领域。利用碳纤维作为增强体的复合材料已经广泛应用于航空航天、国防建筑、医疗体育等领域。碳纤维的力学性能对复合材料的应用很重要，所以研究碳纤维的力学性能非常必要。碳纤维复合材料在加工和应用中都会有高温环境，对于这种耐高温的纤维材料，高温处理后材料强度和断裂伸长率的变化使材料本身的应用范围受到限制，所以研究纤维材料高温处理后的强度和伸长率的改变是非常必要的。郭慧等[1]根据ASTM-D3379标准分别测量了国产碳纤维和日本T300碳纤维的强度，结果表明，国产碳纤维和T300碳纤维单丝强度随温度的变化呈现先增大后减小的规律。石晓斌等[2]根据碳纤维生产线最高温度平衡区温度1 800～2 500 ℃的范围研究了碳纤维在不同热处理温度下的力学性能变化，结果表明：随着处理温度的升高，碳纤维的拉伸强度先增大后减小，在1 900 ℃时拉伸强度达到最大值，拉伸模量和密度都随温度上升而增加。刘洪波等[3]为了解决连续式碳纤维石墨化炉气密性差的问题，设计了温度为3 000 ℃的密闭碳纤维石墨化炉，对PAN基碳纤维做了1 000～3 000 ℃的高温处理，随着温度的升高模量变大，拉伸强度先增大后减小，当温度达到1 400 ℃时，碳纤维的拉伸强度达到最大值。Cédric Sauder等[4]对4种不同的碳纤维在2 000～3 000 ℃高温下处理后纤维拉伸曲线的变化进行了测试，当温度达到2 400 ℃时纤维的拉伸曲线为非塑性取向。

*国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2012IK112)

本文在前人研究的基础上，测试了三种碳纤维单丝和复丝在未经过高温处理和经过高温200、500和800 ℃处理后的拉伸强度和断裂伸长率的变化情况。

1试验部分

1.1　材料与测试仪器

材料：东丽、东邦和美国6K碳纤维。

药品：丙酮(化学纯)，国药集团化学试剂有限公司；三乙烯四胺(化学纯)，国药集团化学试剂有限公司；E-44环氧树脂，南通星辰合成材料有限公司。

设备：Y802型恒温烘箱，南通宏大实验仪器有限公司；CMT4304型微机控制电子万能试验机，深圳新三思集团；马弗炉，上海浦东荣丰仪器有限公司；XQ-1A型纤维强伸度仪，上海新纤仪器有限公司。

1.2　试样处理

图1为碳纤维温度处理示意图，将样品放在马弗炉中，当温度升高到200 ℃(A点)时保持1 h至B点，再将温度升高到500 ℃(C点)保持1 h至D点，最后升温到800 ℃(E点)再保持1 h至F点。

图1　碳纤维温度处理示意图

1.3　胶液配制

在烧杯中每10 g环氧树脂加固化剂三乙烯四胺1 g，以丙酮为溶剂。用玻璃棒充分搅拌直至树脂完全溶于溶剂中。

2结果与讨论

2.1　碳纤维经高温处理后的外观

三种碳纤维经过200、500和800 ℃的高温处理后外观发生了明显变化，如图2所示。

图2中A、B、C分别表示东邦、东丽和美国三种碳纤维，1、2、3分别表示200、500和800 ℃处理条件。从经不同温度处理后的样品形态看，经过200 ℃处理的碳纤维表面没有明显的变化；经过500 ℃高温处理的碳纤维表面光滑明亮，表面的浆料被燃烧掉，没有浆料的束缚，纤维呈分散状态；而经800 ℃高温处理的碳纤维露出瓷杯外端的被燃烧掉，瓷杯里面的纤维表面的浆料被燃烧，纤维没有明显的变化，可能在高温状态下，充分接触空气的纤维容易燃烧。

图2　经过高温处理后的碳纤维

2.2　单丝拉伸强度和断裂伸长率随温度的变化

2.2.1温度对单丝拉伸强度的影响

三种碳纤维经不同温度处理后，在XQ-1A型纤维强伸度仪上测试单丝的拉伸强度和断裂伸长率。单丝拉伸强度的测试结果见图3和表1。

图3　不同处理温度对单丝拉伸强度的影响

处理温度/℃拉伸强度损失率/%东邦东丽美国2006.05.512.250047.740.127.880053.058.344.5

由图3可知，三种碳纤维的拉伸强度都随着处理温度的升高呈逐渐下降的趋势。表1是三种纤维经过高温处理后的单丝强度的损失率，从表中结果可以看出：在200 ℃时，美国碳纤维的强度损失最大，而东丽碳纤维的强度损失最小；在500 ℃时，东邦碳纤维的强度损失最大，而美国碳纤维的强度损失最小；在800 ℃时，东丽碳纤维的强度损失最大，而美国碳纤维的强度损失最小。不同厂家生产的同一规格碳纤维，可能是由于不同厂家的原料、工艺、技术水平不同导致产品结构存在差异，因而经不同温度处理后，拉伸强度的损失不同。

2.2.2温度对单丝断裂伸长率的影响

从图4结果看，三种碳纤维的断裂伸长率变化规律基本一致。经较低温度(200 ℃)处理后，断裂伸长率与常温条件下差异不大，说明此温度条件对碳纤维结构没有明显的影响；而经500 ℃处理后，由于温度较高，对碳纤维结构有较大影响，因此，拉伸强度和断裂伸长率都发生了较大的改变；在800 ℃条件下处理后，碳纤维内部结构得到一定优化，延伸性能得到改善，因此，断裂伸长率又出现了提升，但强度却一直处于降低趋势。

图4　不同处理温度对单丝断裂伸长率的影响

2.3　复丝拉伸强度和断裂伸长率随温度的变化

2.3.1温度对复丝拉伸强度的影响

三种碳纤维经过高温处理后，由于800 ℃处理后的碳纤维出现了损伤，复丝纤维出现了断裂，虽然可以进行单纤维测试，但按照GB/T 3362—2005《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》要求，不能再上胶进行复丝强伸性试验，因此，本试验中只给出了经200和500 ℃处理后的复丝测试结果，见表2和表3。

表2　不同温度处理后碳纤维复丝的拉伸强度

表3　不同温度处理后碳纤维复丝拉伸强度的损失率

由表2可知，经过高温处理后碳纤维复丝的拉伸强度整体上也呈下降的趋势，而且温度越高，拉伸强度的下降越明显。表3是三种纤维经过高温处理后的复丝拉伸强度的损失率，从表中结果可以看出：在200和500 ℃时，都是东丽碳纤维复丝的拉伸强度损失最大，而东邦碳纤维复丝的拉伸强度损失最小。从碳纤维拉伸强度的损失率来看，复丝与单丝的损失并不一致，可能是复丝有上胶程序，而该程序的操作目前标准中只是通过简单文字描述，由测试人员人工操作完成，存在很大的人为主观性和不确定因素，会对测试结果有一定影响。

2.3.2温度对复丝断裂伸长率的影响

从表4可以看出，经过高温处理的碳纤维复丝的断裂伸长率整体上呈下降趋势，在500 ℃时，虽然东邦碳纤维复丝的断裂伸长率有略微增加，但仍低于未处理碳纤维复丝的断裂伸长率。

表4　不同温度处理后碳纤维复丝的断裂伸长率

3结语

通过对不同厂家生产的同型号碳纤维进行高温处理后的试验结果分析，得到下列结论：

(1)经高温处理后，碳纤维表面浆料由于高温作用而分解，碳纤维复丝黏着力较弱或消失，使复丝呈松散状态；而在过高的温度条件下，复丝因含杂质会与空气中的氧气发生氧化反应，导致复丝断裂。

(2)不同厂家生产的同一规格碳纤维单丝和复丝的拉伸强度都随温度的升高而有所损失，但不同厂家产品的拉伸强度损失程度不同。这可能是由于不同厂家的原料、工艺、技术水平不同导致产品结构存在差异而造成的。

(3)从碳纤维拉伸强度的损失率来看，同一厂家生产的同一规格碳纤维，复丝与单丝的损失并不一致。可能是因为复丝有上胶程序，而该程序的操作存在很大的人为主观性和不确定因素，从而对测试结果有一定影响。

参考文献

[1]郭慧,黄玉东,刘丽,等.T300和国产碳纤维本体的力学性能对比及其分析[J].宇航学报, 2011, 30(5)：2068-2072.

[2]石晓斌,许正辉.不同处理温度对聚丙烯腈基碳纤维力学性能影响规律的研究[J].宇航材料工艺，2001(3)：29-32.

[3]刘洪波,徐仲榆,张红波,等.高温热处理对PAN基碳纤维结构和力学性能的影响[J].合成纤维工业, 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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