０ 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度 高、抗疲勞性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于輕型結(jié)構(gòu)中的主承 力結(jié)構(gòu)，特別是在航空、航天、汽車、船舶以及能源等領(lǐng)域。對于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，界面是增強(qiáng) 纖維與樹脂基體粘接的微觀過渡區(qū)域，載荷通 過 界 面 在增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間進(jìn)行傳遞。因此，當(dāng)復(fù) 合材料暴露在環(huán)境條件下，界面的性能演化將 直 接 影 響其復(fù)合 材 料 的 整 體 宏 觀 機(jī) 械 性 能，如 層 間 剪 切 強(qiáng) 度，耐沖擊性能等。

１ 實 驗

１．１ 原材料

１．１．１ 原材料

碳纖維，Ｔ３００Ｂ（３Ｋ），未上槳，日本東麗公司；雙酚 Ａ 型 環(huán) 氧 樹 脂，牌 號 ＷＳＲ６１８，上 海奧 屯 化 工 科 技 公 司，工業(yè)級；多元胺固化劑，牌號５９３，上海奧屯化工科 技公司，工業(yè)級；水性上漿劑，牌號 ＥＰ８７６，麥可門化工 貿(mào)易有限公司，工業(yè)級；導(dǎo)電銀膠，牌號 ＹＣ－０１，南京喜 力特膠粘劑公司；脫模劑，牌號 ＨＤ－９１８－１，上海東恒化 工有限公司。

１．１．２ 設(shè)備

ＺＹＭＣ－２００Ｖ 型非介 入 式 材 料 均 質(zhì) 機(jī)，深 圳 中 毅 科技有限公司；上海精宏DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；Ｂ２９０１Ａ 型 精 密型電源測量設(shè)備， Ｋｅｙｓｉｇｈｔ（中國）有限公司；２０４ＨＰ型差式掃描量熱儀 （ＤＳＣ），德 國 ＮＥＴＺＳＣＨ 公 司；Ｓｐｅｃｔｒｕｍ１００ 型 傅立 葉紅 外 光 譜 儀 （ＦＴ－ＩＲ），美 國 Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ 公 司； ＰＨ１５０００ＶｅｒｓａＰｒｏｂ型 Ｘ 射 線光 電 子 能 譜 儀（ＸＰＳ）， 日本 ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ公司；ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型掃描電子 顯微鏡（ＳＥＭ），美 國 ＦＥＩ公 司；復(fù)合 材 料 單 絲 斷 裂 試 驗機(jī)，自制。 

１．２ 實驗過程

１．２．１ 碳纖維上漿及界面組分混合試樣的制備

選用麥可 門 公 司 的 ＥＰ８７６上 漿劑對碳纖維進(jìn)行 上漿處理。將上漿劑和去離子水按質(zhì)量比１∶１０的比 例進(jìn)行充分混合，制備成上漿液。碳纖 維 束 絲 浸 潤 上 漿劑后放置在環(huán)境箱中，在１３０ ℃下烘干１ｈ，冷卻后 得到上漿碳纖維試樣。

１．２．２ 碳纖維／環(huán)氧樹脂界面組分的制備碳纖維／環(huán)氧樹脂的界面組分

主 要 是 由 上 漿 劑 和 環(huán)氧樹脂相互擴(kuò)散后形成的固化產(chǎn)物組成的，其 組 分 不同于上漿劑，也不同于環(huán)氧樹脂。本 文 將 上 漿 劑 和 Ｅ５１環(huán)氧樹脂按１∶１（質(zhì)量比）混合均勻，按照比例加 入固化劑后于７０℃下固化９ｈ，模擬碳纖維／環(huán)氧樹脂 復(fù)合材料界面組分，以下簡稱界面組分。

１．２．３ 碳纖維單絲／環(huán)氧樹脂復(fù)合試樣的制備

在模具表面均勻涂抹一層 脫 模 劑，并 將 銅 電 極 固 定在模具凹槽的兩端，然后將碳纖維單絲固定在模具 凹槽的中 心 位 置。使 用 導(dǎo) 電 銀 膠 將 纖 維 與 銅 電 極 連 通，導(dǎo)電銀膠固化制度為８０ ℃下保溫２ｈ。將環(huán)氧樹 脂和固化劑按５∶１（質(zhì)量比）混合后放入材料均質(zhì)機(jī) 進(jìn)行脫泡后 澆 注 到 模 具 中，固 化 工 藝 為７０ ℃下 保溫 ９ｈ，待模具冷卻至室溫后脫模得到如圖１（ａ）所示的試 樣，試樣尺寸見圖１（ｂ）。

１．２．４ 電熱作用實驗

使用 Ｋｅｙｓｉｇｈｔ公司的Ｂ２９０１Ａ 型精密電源對碳纖 維單絲／環(huán)氧樹脂復(fù)合試樣進(jìn)行直流電流加載，電流大 小為０～８ｍＡ，通電時長為１ｈ。

１．３ 性能測試及表征

１．３．１ 界面組分的性能測試

采用ＳＥＭ 觀察碳纖維絲束上漿前以及上漿后電 熱作用下的表面形貌；采用 ＦＴ－ＩＲ 及 智能 化 ＡＴＲ 附 件對碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面組分混合體系樣 品進(jìn)行紅外光譜測試，波數(shù)范圍為５００～４０００ｃｍ－１， 分辨率為０．４ｃｍ－１；采用 ＸＰＳ對 碳纖 維／環(huán) 氧 樹 脂 復(fù) 合材料界面組分混合體系樣品進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu) 的 分 析； 采用 ＤＳＣ對碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樹脂基體和界 面組分混合體系樣品進(jìn)行測試，測試條件：氮氣流速為 ２０ｍＬ／ｍｉｎ，升溫速率為２０ ℃／ｍｉｎ，溫度區(qū)間為２５～ ３００ ℃，樣品質(zhì)量為５～１０ｍｇ。

１．３．２ 碳纖維單絲／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度測試

采用自主研制的復(fù)合材料單絲斷裂試驗機(jī)對碳纖 維單絲／環(huán)氧樹脂復(fù)合試樣進(jìn)行界面剪切性能測試，加 載速率為１．０μｍ／ｓ。拉伸過程中，載荷通過界面由樹 脂基體傳遞給纖維，樹脂基體與碳纖維斷裂伸 長 率 的 差異會導(dǎo)致纖維率先發(fā)生斷裂。纖維斷裂處由樹脂塑 性形變而產(chǎn)生的折射現(xiàn)象可通過偏光顯微鏡進(jìn)行觀 察，并以此來記錄纖維斷裂達(dá)到飽和時的斷裂點數(shù)以 及斷點處 形 貌，依 據(jù) Ｋｅｌｌｙ－Ｔｙｓｏｎ模型計算界面剪切強(qiáng)度。

２ 結(jié)果和討論

可以看出，隨著電流的升高，界面組 分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，即 在０ ～６ ｍＡ 范 圍內(nèi)，界面組分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著電 流強(qiáng)度的提升而升高，而當(dāng)電流超過６ｍＡ 后，界面組 分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生了下降。可能是因為當(dāng)電流 強(qiáng)度在０～６ｍＡ 時，界 面組 分 發(fā) 生 了 后 固 化 現(xiàn) 象，引 起界面組分玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高；而當(dāng)電流強(qiáng) 度 超 過 ６ｍＡ 時，較 高電流產(chǎn)生的大量焦耳熱會引發(fā)化學(xué)老 化，界面組分化學(xué)鏈的斷裂及由此造成的交聯(lián)密度的 下降開始表現(xiàn)出來，因而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降。為考察電熱作用下界面組 分 化 學(xué) 基 團(tuán) 變 化 情 況， 將界面組分在０～８ｍＡ 電流對應(yīng)的界面溫度下處理 后進(jìn)行紅外光譜測試。不同強(qiáng)度電流下界面組分的紅外譜圖整體上差 別不大，有部分特征峰的強(qiáng)弱發(fā)生了變化，說明了相應(yīng) 官能團(tuán)的相對濃度發(fā)生了變化，也有新的譜峰產(chǎn)生，其 中８ｍＡ 電流下對應(yīng)的紅外光譜在１７３１ｃｍ－１處生成 了新的峰，這可能是高溫環(huán)境導(dǎo)致界面組分大分子鏈 斷裂而生成的酯基特征峰。

３ 結(jié) 論

（１） 電熱作用對碳纖維單絲／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 界面性能有較大影響。隨著電流強(qiáng)度 的 增 加，碳 纖 維 表面溫度不斷升高，碳纖維單絲／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度呈先升后降的趨勢。
（２） ＳＥＭ 測 試結(jié) 果 表 明，較 低 強(qiáng) 度 電 流 對 碳 纖 維的表 面 形 貌 無 明 顯 影 響，當(dāng)電流強(qiáng)度增大到６ ｍＡ 以上時，碳纖維表面開始出現(xiàn)漿料的物理分裂和高溫 裂解現(xiàn)象。
（３） ＤＳＣ測試結(jié)果表明，碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合 材料界面組分的 Ｔｇ 受電熱作用影響顯著。電流強(qiáng)度 在０～６ ｍＡ 范 圍內(nèi)，界面組分發(fā)生后固化和物理老 化，促使Ｔｇ 逐步升高；電流強(qiáng)度超過６ｍＡ，界面組分 發(fā)生化學(xué)老化，Ｔｇ 逐漸下降。
（４） ＦＴ－ＩＲ分 析結(jié) 果 表 明，電熱作用對碳纖維／ 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面組分化學(xué)結(jié)構(gòu)有較大影響。當(dāng) 電流強(qiáng)度達(dá)到７ｍＡ 以 上時，脂肪醚鍵相對濃度明顯下降，證明界面組分聚合物大分子鏈發(fā)生破壞。
（５） ＸＰＳ測試結(jié)果表明，電熱作用下界面組分中 醚鍵的含量先增后 減，電 流 強(qiáng) 度 在０～６ ｍＡ 時，醚 鍵 含量增加屬后固化反應(yīng)，６ ｍＡ 以 后醚 鍵 含 量 降 低 是 由脂肪醚發(fā)生分解造成的，測試結(jié)果與紅外光 譜 的 結(jié) 果保持一致。



 

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