RTM工艺制备碳纤维复合材料的力学性能

刘振宾，时 卓，左继成，李 刚，常 军，马明庆，张 罡

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.辽宁省轻工科学研究院有限公司，沈阳 110036)

碳纤维复合材料以其轻质和优异的物理、化学和力学性能在国防和民用等领域获得了日益广泛的应用，如直升机、飞机发动机、大飞机、交通车辆、风电叶片等[1-3]。

宝马BMW i3 的坐舱和部分车身覆盖件用碳纤维复合材料后整车质量下降1.25t；艾瑞泽7的引擎盖、门梁等车身覆盖件用碳纤维复合材料后，车身质量减轻40%～60%，油耗减少约7%；特斯拉Roadster 电动跑车，采用碳纤维复合材料车身后整车重量只有920 公斤，而且加速性能、操控性能和环保性能更好[3-4]。在质量上，碳纤维/环氧复合材料件比普通钢材减少60%，比铝合金构件节省约10%～25%，甚至达30%[5-6]。

目前，树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding，简称RTM)制备碳纤维/环氧复合材料结构件是应用最普遍的低成本高性能的成型工艺之一，RTM能直接使用预成型体注入树脂固化，一次成型结构复杂、大型的构件，尺寸可控制、表面质量好、生产周期短、生产成本低[7]。

国内对于RTM工艺用树脂和碳纤维也进行了研究和探索，积累了树脂研究、碳纤维编织、工艺优化等制造经验，研制了高性能环氧树脂体系和碳纤维织物。其中CF3031/BA9914e复合材料径向拉伸强度达到了755MPa，弯曲强度达到了934MPa[8-9]。

本文采用RTM工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料，通过碳纤维和配套的树脂选择，优化RTM工艺，研究复合材料的力学性能与界面结构关系以及拉伸断口失效方式，为新能源汽车承载零部件的未来应用提供依据。

1 实验

1.1 原材料

经过预实验，优选上海华谊树脂有限公司3312A环氧树脂和3312B固化剂和宜兴市恒立航空科技有限公司生产的3K-T300平纹碳纤维布，进行RTM工艺试验。

1.2 实验仪器

试验采用北京恒吉星科技有限责任公司生产的RTM-EP高温精密环氧注射机制备实验室样品，并分别采用国产UTM4304微机控制电子万能试验机和日本产S-3400N扫描电镜进行拉伸、弯曲试验，以及断口形貌分析。

1.3 RTM成型工艺

将裁剪碳纤维布同向铺层在涂有脱模剂的阴模中，合上平板式阳模(中间开设注射口，四角开设溢料口)，紧固密封模具并预热模具。设置环氧树脂与固化剂的混合比例，注射压力和注射速度分别为2.5MPa和50mL/min。运行RTM操作系统将树脂和固化剂按比例通入注射枪的静态混合器中，充分混合后从模具中间注射口注入，直至四周的溢料管有料溢出且无气泡为止。注射完毕后，80℃固化，室温脱模，取出制件。

1.4 力学性能测试

依据GB/T1447-2005和GB/T1449-2005用万能制样机制备拉伸和弯曲试样并进行试验，尺寸分别为250mm×25mm×2.5mm和80mm×15mm×2.5mm。试验速度均为2mm/min。

1.5 拉伸断口扫描

对拉伸试样断口进行SEM扫描，分析断口形貌，判断拉伸试样断裂方式。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维复合材料的力学性能

按照厚度指标要求，试验优选碳纤维布6层的铺层方式，其他的铺层均不能达到厚度指标或导致注射压力下增强体结构显著变形，影响复合材料尺寸精度和数值与纤维浸润质量。

制备的碳纤维/环氧树脂试样的拉伸强度和弯曲强度如表1所示，拉伸强度和弯曲强度分别达到了459.17MPa和576.82MPa，而环氧树脂基体拉伸最高强度仅为80MPa，复合材料的强度提高了5.7倍。与文献[8-9]相比，样件力学性能偏低的原因在于选用的碳纤维级别及配套树脂的不同，本文选用了低成本T300碳纤维及其配套树脂。

表1 RTM制备碳纤维/环氧复合材料的力学性能表

拉伸宏观断口如图1所示。断口主要呈现纤维拉断与树脂的脆性断裂，界面失效开裂形式较少，表面界面具有较高的抵御断裂能力[8]。

图1 拉伸断口宏观形貌

2.2 RTM制件拉伸试验微观断口

拉伸试样断口SEM形貌如图2所示。

图2 轴向碳纤维拉伸断口SEM形貌(拉伸应力方向垂直于纸面)

由图2可见单层碳纤维编织布中的碳纤维丝束均与树脂润湿良好，未见富树脂的层次或气孔形貌；纤维布之间的界面丝束相互垂直交错，局部形貌展示了三层结构。说明RTM优化工艺达到了增强体的丝束之间、纤维布之间树脂与纤维界面的充分润湿，且导致随后均匀分布的聚合反应。

垂直于拉伸方向的单层碳纤维编织布丝束之间，在树脂区断裂的形貌，断口呈现出光滑的解理断裂形貌，断裂方式为典型的脆性断裂[9]。平行于拉伸方向的单层碳纤维编织布展示碳纤维拉断，并且碳纤维具有拉出的特点，该种断裂方式较前者具有更高的抵抗变形和拉断的能力，因此对于拉伸强度的提高具有主要作用。

而垂直于轴向的碳纤维丝束在拉伸力的作用下，碳纤维与环氧树脂脱离，在环氧树脂断面留下明显的犁沟状形貌。

图3为图2的1区形貌放大图，从图中可以看出环氧树脂已经完全浸润到碳纤维编织体束当中，且无明显的气孔等缺陷。

图3 轴向碳纤维拉伸断口1区SEM形貌

通过断口形貌图可以证实树脂基碳纤维复合材料在拉伸断裂过程中主要有三种吸能方式。第一种方式为碳纤维的断裂，碳纤维作为复合材料的增强体，其本身的断裂必定吸收大量的功，为主要的材料断裂阻碍方式；第二种方式为环氧树脂的脆性断裂，按照环氧树脂本身的拉伸性能，可以判断其在断裂过程中起到一定的阻碍作用；第三种方式为碳纤维与环氧树脂的界面破坏，可以看到材料在断裂过程中，碳纤维断裂后从环氧树脂基体中被拔出，且碳纤维单丝表面存在褶皱和变形形貌，对比原始的碳纤维单丝的光滑表面，说明碳纤维和环氧树脂形成了结合界面且在拉伸断裂时被破坏，裂纹沿着结合界面扩展从而吸收了更多的功[10]。

综上所述，三种吸能方式的共同作用导致了环氧树脂基碳纤维复合材料具有较高的拉伸性能。

图4为图2的2区形貌放大图，从图中可以看出，部分区域的碳纤维会聚集成簇，纤维相互交错，形成了碳纤维单丝相互贴合的现象，而且碳纤维单丝表面更加光洁，可以判断出环氧树脂在此区域的浸润并不完全。另外，还可以看到该区域的裂纹相较于1区有更大的间隙。这是因为：其一，2区域处的碳纤维含量明显更高，导致了碳纤维与环氧树脂的接触面积增大，树脂浸润碳纤维的难度也更大；其二，碳纤维含量增加，纤维单丝之间的接触概率增大，树脂难于进入碳纤维空隙之间导致了树脂浸润不充分[11]。该区域的存在影响了碳纤维与环氧树脂之间的界面强度，阻碍了试验材料拉伸强度的进一步提高。

图4 轴向碳纤维拉伸断口2区SEM形貌

图5为垂直于轴向碳纤维区域断口形貌放大图。

图5 垂直轴向碳纤维拉伸断口SEM形貌

由图5a可以看出，垂直于轴向的碳纤维一部分直接从界面处开裂脱离环氧树脂基体，另一部分碳纤维会剪切断裂再脱离断口。在树脂基体处可以看到从界面处扩展的密集裂纹，说明相对于碳纤维的断裂，裂纹更容易从树脂与碳纤维的界面处萌生扩展。由图5b的断口形貌可以看出，轴向与垂直于轴向的碳纤维在拉伸作用下脱离树脂基体都留下了犁沟状的形貌，而树脂基体断口表面的不光滑与不平整性，更证实了碳纤维与环氧树脂之间形成了一层特殊的结合界面。

3 结论

采用RTM工艺(铺设6层3K-T300碳纤维编织布，3312环氧树脂)制备得到2.5mm厚的碳纤维/环氧复合材料样件。样件的拉伸强度和弯曲强度分别为459.17MPa和576.82MPa，其强度由铺层之间和纤维之间界面良好润湿和聚合所决定。拉伸断口中碳纤维和环氧树脂脆性断裂以及碳纤维与环氧树脂界面裂纹萌生扩展及断裂三种方式的共同作用是试样失效的机制。