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1、503第17届全国复合材料学术会议论文 摘要 针 对 国 产 碳 纤 维 在 航 空 应 用 中 出 现 的 几个 关 键 问 题， 分 别 对 高 性 能 碳 纤 维 力 学 性 能 测 试 方 法、碳 纤 维 与 基 体 树 脂 的 韧 性 匹 配 对 损 伤 容 限 的 影 响 以 及航 空 用 先 进 碳 纤 维 复 合 材 料 的 耐 湿 热 性 能 要 求 进 行 了系 统 阐 述， 以 期 牵 引 和 推 动 国 产 碳 纤 维 的 研 制 和 在 航 空领域的快速应用。关 键 词： 国 产 碳 纤 维 航 空 应 用 韧 性 匹 配 湿热ABSTRACT With the se
2、veral key problem of domestic carbon fiber applied in aviation, the test method of high-performance carbon fiber, the toughness match between carbon fibers and matrix resin and its effect on damage tolerance and aviation structure requirement for hygrothermal properties of advanced CFRP were system-
3、atically stated, respectively, in order to guide and promote the research and application in aviation of domestic carbon fibers.Keywords: Domestic carbon fiber Application in aviation Toughness match Hygrothermal为满足航空装备高性能化、轻量化要求，需要大量采用轻质、高效的先进复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成形等独
4、特的优点，已广泛应用于航空飞行器和发动机结构，成为航空装备的关键材料，其用量也已成为航空装备先进性的标志之一。如美国 F-22 战斗机在机翼、机身等主承力结构上大量采用高强中模 IM7 碳纤维增强的高性能复合材料，其用量达 24.2%，获得了良好的减重效益。长久以来，国内碳纤维应用主要依赖于进口，但近年来受美国等西方国家对华政策的影响，碳纤维进口受到限制，使我国航空装备发展处于受制于人的被动局面。为了解决航空用碳纤维的迫切需求，实现关键材料自主保障，推动航空装备的持续发展，我国碳纤维走上了自主发展的道路，特别是“十五”以来，在国家 863 计划“高性能碳纤维关键技术专题”等项目的支持下，国产碳
5、纤维在性能、产能等方面取得了可喜成绩，建成了国产 T300、T700 级碳纤维生产线。目前，国产 T300 级碳纤维工程化技术已取得重大突破并获得大量应用，国产 T700 级碳纤维工程化工作已取得重大进展。本文就航空用碳纤维国产化过程中出现的几个主要问题展开阐述，以便为碳纤维国产化节省时间和成本，推动和加速国产碳纤维在航空领域的应用。1关于碳纤维力学性能测试目前，随着国产碳纤维由 T300 级（中等断裂伸长率）向高性能高断裂伸长率（2.0%），由小丝束（3K）向较大丝束（12K）发展，准确表征碳纤维的力学性能越来越困难。关于碳纤维力学性能测试标准主要有 GBT 3362-20051，ASTM
6、D 40182，ISO 106183（与日本标准JIS R76084等同），但其测试结果与选用的树脂体系，制样水平和操作人员的熟练程度密切相关。事实上，针对碳纤维复丝拉伸性能测试，各测试标准都对浸渍纤维用树脂有两个基本要求：（1）浸渍用树脂与碳纤维表面上浆剂相容性好；（2）浸渍用树脂的韧性与碳纤维要匹配，国标和美标对测试用树脂的韧性要求是固化后树脂的失效应变至少应为纤维失效应变的 2 倍，而 ISO 10618甚至指出固化后树脂的失效应变最好为纤维失效应变的 3 倍。因此伴随着碳纤维国产化进程，提高碳纤维力学性能测试技术水平，寻求或开发能充分发挥高性能碳纤维力学性能、准确表征其性能的制样用树脂
7、体系也越来越重要。下面就国产高性能碳纤维测试工作中发现的几个问题作具体阐述。1.1浸渍用树脂的影响分别针对 T700S 和两种国产高性能碳纤维 CF-A和 CF-B，采用两种不同韧性的树脂（其中 6101 树脂的断裂伸长率约为 2.3%，韧性环氧的断裂断裂伸长率约国产碳纤维在航空应用中的关键问题Key Problem of Domestic Carbon Fiber Applied in Aviation中航工业复合材料技术中心 谢富原罗云烽彭公秋504第17届全国复合材料学术会议论文为 6.0% 左右）浸渍纤维，按照国标 GBT 3362-2005 测试碳纤维的复丝拉伸性能，测得二十轴碳纤维
8、的统计结果如表 1 所示。从表 1 可以发现，对于同一轴纤维，采用不同的树脂浸渍碳纤维制样，其它条件都相同的情况下，碳纤维的拉伸强度测试值相差较大。这种差异主要是由于不同浸渍用树脂固化后断裂伸长率不同引起的，断裂伸长率较低的树脂会造成加载过程中纤维提前破坏，不能起到使纤维集中承受载荷的作用，引起测试结果低于纤维的实际强度。特别是对于高性能碳纤维，随着纤维的断裂伸长率由T300的1.5%提高到2.0%左右，对制样用树脂的韧性要求也越来越高。1.2胶接加强片固化温度的影响针对某国产碳纤维，抽取 24 轴纤维按照国标 GBT 3362-2005，采用 6101 树脂浸渍纤维试样，然后分别采用 120
9、固化胶和室温固化胶粘贴加强片测试碳纤维复丝拉伸性能，测试结果如表 2 和图 1 所示。从表 2 中可以发现，采用室温固化胶接加强片测得的碳纤维复丝拉伸强度比 120固化胶接加强片的拉伸强度约高450MPa。另外从图 2 中也可以发现，采用室温固化胶接加强片测得的碳纤维复丝拉伸强度分布区间更窄，离散性更小。这种差异可能是由于后续高温固化造成了试样中树脂刚度增加，韧性降低，纤维 / 树脂断裂韧性不匹配，树脂一旦存在缺陷先破坏就会导致裂纹扩展至纤维造成试样提前破坏。1.3环境湿度的影响对于 GBT 3362-2005 中推荐用于浸渍纤维的 6101树脂，同种碳纤维在不同季节测试结果如表 3 所示。夏
10、季环境湿度较高时，碳纤维复丝拉伸强度测试结果偏低，有时甚至低达 570MPa，如表 3 所示。这可能是由两方面的原因引起的：（1）环境中湿度较高时，稀释树脂的丙酮很难在树脂凝胶、固化前从试样中挥发完全，影响了树脂韧性；（2）胺类固化剂与环氧树脂反应后，未反应完全的活性胺基容易从空气中吸潮，造成缺陷影响树脂的韧性。这两种原因使得树脂的断裂伸长率与碳纤维复丝的断裂伸长率不匹配，造成树脂提前破坏影响碳纤维种类浸渍纤维用树脂6101 树脂 韧性环氧S-/MPa E-/GPa S-/MPa E-/GPaT700S 4779 231 4945 230CF-A 4940 242 4976 245CF-B 4
11、852 252 4940 250表1不同浸渍树脂对碳纤维拉伸性能测试结果的影响胶接温度 120固化胶接加强片 室温固化胶接加强片国产碳纤维力学性能测试值S-/MPa E-/GPa S-/MPa E-/GPa4249 246 4705 248表2胶接加强片固化温度对复丝拉伸性能测试结果的影响图1胶接加强片固化温度对复丝拉伸强度测试结果的影响Fig.1Effect of tab bonded temperature on test results of tow tensile properties（b）室温固化胶接加强片（a）120固化胶接加强片碳纤维试样编号夏季测试（湿度 85%） 秋季测试（湿
12、度 50%）S-/MPa E-/GPa S-/MPa E -/GPa1 3933 240 4347 2452 3991 245 4616 2483 3921 253 4238 2554 3586 256 4172 2555 3625 248 4151 2516 3723 250 4072 249平均值 3797 249 4266 251表3湿度对碳纤维拉伸性能测试结果的影响505第17届全国复合材料学术会议论文纤维性能的发挥。综上所述，碳纤维力学性能测试过程中纤维 / 基体树脂的韧性匹配对碳纤维力学性能的表征结果产生重要影响。笔者认为适合表征高性能碳纤维力学性能的制样用树脂体系必须具备下述特点
13、：（1）树脂体系固化后断裂延伸率不低于 4.5%；（2）树脂与碳纤维表面上浆剂具有较好的相容性，能适用于大多数碳纤维的测试；（3）树脂易于被无毒、无刺激性气味（便于试验人员操作）的有机溶剂稀释，并且在浸渍完碳纤维后容易从树脂体系中挥发出来；（4）树脂体系在固化过程中不易吸潮，且固化后具有较好的耐热性，以使在胶接加强片二次固化过程中韧性不降低。2碳纤维与基体树脂的韧性匹配对于复合材料结构，同样存在增强纤维 / 基体树脂的韧性匹配问题，只有二者匹配合理才能充分发挥复合材料的综合力学性能优势。如对于断裂伸长率为 1.5%的 T300 级碳纤维，匹配使用的航空用树脂断裂伸长率约为 3.0% 左右，如
14、Cytec 的 5208、Hexcel 的 914、国内的 QY8911 和 5405 等体系；而对于高性能碳纤维（断裂伸长率提高到 2.0% 左右），必须与增韧树脂匹配使用，如国外树脂牌号 Cytec 的 5250-4、Hexcel 的 977-3、8552、M21 和东丽的 3900 和 2500 等。2.1韧性匹配对复合材料拉伸性能的影响对于不同断裂伸长率的某种国产碳纤维（编号分别为 CF-C、CF-D 和 CF-E），采用增韧双马树脂和热压罐工艺制备复合材料试样后测试其 0方向拉伸性能，不同碳纤维及其复合材料 0拉伸强度如表 4 所示，拉伸破坏模式如图 2 所示。如表 4 和图 2 所
15、示，对于同种增韧树脂，随着纤维断裂伸长率的提高，拉伸破坏断裂模式逐渐由条状（并附带劈丝现象）破坏向爆炸丝状转变，表明树脂断裂伸长率/纤维断裂伸长率的相对比值越来越低，即树脂的韧性不能满足纤维韧性需求，这可能会造成不能满足航空用复合材料结构损伤容限对目视勉强可见冲击损伤的要求。2.2韧性匹配对目视勉强可见冲击损伤的影响复合材料结构损伤容限要求结构存在目视勉强可见冲击损伤（BVID）时仍能承受规定的使用载荷。Boeing 对“目视勉强可见”的通用定义为典型光照条件下，5 英尺（约 1.5 米）外目视可见，但针对飞机上的不同结构件，目视可见的距离还另有详细规定。因此，对于飞机结构用复合材料，必须开展
16、冲击凹坑试验，JSSG 2006 中推荐：由直径 25.4mm 半球形端头的冲击物引入 2.5mm 深凹坑，最大能量不超过 136J；空客公司则规定用直径 16mm 的冲头引入 1.0mm 深凹坑（松弛后为0.3mm）；而 GJB 67.14-2008 使用说明中推荐：由直径12.7mm 半球形端头的冲击物引入 1.3mm 深凹坑，最大冲击能量不超过 136J。碳纤维 拉伸强度 /MPa 拉伸模量 /GPa 断裂伸长率 /% BMI 复合材料纵向拉伸强度 /MPa 破坏模式CF-C 4800 255 1.88 2552 条状CF-D 5070 255 1.99 2728 条状CF-E 5260 256 2.05 2875 爆炸丝条状T700S 5270 234 2.25 2835 爆炸丝状表4碳纤维性能对复合材料0拉伸破坏模式的影响图2不同碳纤维/BMI复合材料0拉伸破坏模式Fig.20tensile Failure mode of different
