摘 要

本文主要研究T700和T800碳纤维分别与CRT800-1M、EW-60D、E51、TDE-85四种环氧树脂的匹配性能。采用湿法缠绕工艺，分别根据GB/T1458-2008和GB/T1040.5-2008制备碳纤维缠绕复合材料NOL环和单向板，并进行力学性能测试。

实验结果表明：(1) 当碳纤维选用T700时，CRT800-1M、EW-60D、E51、TDE-85四种树脂中，T700/CRT800-1M复合材料NOL环和单向板都表现出最优异的力学性能；(2) 当碳纤维选用T800时，CRT800-1M、EW-60D、E51、TDE-85四种树脂中，T800/CRT800-1M复合材料NOL环和单向板同样表现出最好的力学性能。而CRT800-1M是北京化工大学自行研制的高模量特种环氧树脂，这表明，具有高模量树脂基体是成型拥有卓越力学性能和界面性质的复合材料的重要条件；(3) 当选用CRT800-1M特种环氧树脂为树脂基体时，T700碳纤维与T800碳纤维相比，制成的复合材料NOL环和单向板显示出更低的拉伸强度和弹性模量。从SEM图中可以看到，T800碳纤维与T700碳纤维相比，有更加明显的沿着纤维轴线方向的沟槽型表面微观结构，能够增大碳纤维与环氧树脂的接触面积，从而在成型复合材料过程中，拥有比T700碳纤维更好的力学性能和界面性质。

关键词：碳纤维；复合材料；界面性质；匹配性

Abstract

It was investigated that the materials compatibility of T700 and T800 carbon fiber, respecti-

vely with CRT800-1M, EW-60D, E51, TDE-85 epoxy resins. Wet-winding craft was used.Accor-

ding to GB/T1458-2008 and GB/T1040.5-2008 respectively, carbon fiber filament wound composite material Naval Ordinance Laboratory-ring (NOL) and unidirectional composites were produced,and mechanical properties were tested.

The results showed that : (1) When T700 was chosen to be the carbon fiber, CRT800-1M, EW-60D, E51, TED-85, epoxy resins could be chosen, T700/CRT800-1M carbon composites NOL-rings and the unilateral slabs showed the best mechanical properties; (2) when T800 was chosen to be the carbon fiber, CRT800-1M, EW-60D, E51,TDE-85 epoxy resins could be chosen,T800/CRT800-1M carbon composites NOL-rings and the unilateral slabs also showed the best mechanical properties.T800 carbon fiber has much ester group content on the surface of glue, and the polarity is bigger. CRT800-1M is the special epoxy resin which is Beijing University of Chemical self-developed with high modulus. It showed that the resin matrix with a high modulus was an essential prerequisite to excellent mechanical and interfacial properties of the resulting composites; (3) when CRT800-1M special epoxy resin was chosen to be the resin matrix, T700 carbon fiber composite NOL-rings and unilateral slabs showed low tensile strength and elastic modulus than the T800 carbon fiber. From SEM figure, compared with T700 carbon fiber, T800 carbon fiber have a more pronounced trenched surface microstructure along the fiber axis direction, it can increase the contact area of carbon fiber and epoxy resin, thereby has a better mechanical properties and interfacial properties than T700 when forming Composites.

Key Words : carbon fibers；composites；interfacial properties；compatibility

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1碳纤维增强聚合物基复合材料 1

1.2碳纤维复合材料缠绕工艺 1

1.3碳纤维的介绍与发展 2

1.4环氧树脂的介绍 3

1.5碳纤维复合材料界面 3

1.6碳纤维复合材料界面粘结性能表征方法 4

1.6.1碳纤维复合材料界面结构和组成表征 5

1.6.2 碳纤维复合材料界面结合强度表征 5

1.7 本课题研究的意义及主要内容 5

1.7.1 课题研究的背景及意义 5

1.7.2课题研究的内容 6

第2章 实验部分 7

2.1 实验原料 7

2.1.1 碳纤维 7

2.1.2 环氧树脂 7

2.2 实验设备 9

2.3 实验内容 10

2.3.1试样的制备 10

2.3.2力学性能测试 11

第3章 分析与评估 14

3.1不同环氧树脂与T700碳纤维复合材料的力学性能 14

3.2不同环氧树脂与T800碳纤维复合材料的力学性能 19

3.3 T700或T800碳纤维与同种环氧树脂性能对比 22

第4章 结果与讨论 25

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 碳纤维增强聚合物基复合材料

复合材料是由两种及两种以上不同性质的单一材料，通过物理或化学的方法，复合而成的具有多相结构和复合效应的宏观新型材料。从结构上看，聚合物基复合材料是由增强体、树脂基体以及两者之间的界面相组成。其中，增强体主要起承受外部载荷的作用，树脂基体主要起粘结增强体和传递载荷的作用，而界面作为复合材料另一个重要的微结构，不仅起着连接增强体和树脂基体的“桥梁”作用，也是外加载荷从基体向增强纤维传递的“纽带”^[1]。

按照增强体的种类分，聚合物基复合材料大致可以分为玻璃纤维增强聚合物基复合材料，在我国俗称“玻璃钢”；碳纤维增强聚合物基复合材料；以及其他类型复合材料。本文研究的主要是碳纤维增强聚合物基复合材料界面匹配性问题。

碳纤维增强聚合物基复合材料是以碳纤维为增强体，以树脂体系作为基体相，并且增强体与基体相之间形成良好界面相的一种先进复合材料。碳纤维作为骨架起承受载荷的作用，树脂基体起承受载荷和保护纤维的作用。继玻璃纤维增强复合材料（GFRP）之后，碳纤维增强复合材料（CFRP）作为第二代高性能复合材料。因其具有高比强度、高比模量、耐高温、密度低、耐疲劳和耐腐蚀等一系列优点，在航空航天、体育用品、汽车零部件、油气储运等领域有着重要而广泛的运用，其中碳纤维复合材料在大型飞机上的应用，已成为衡量国家科技实力的重要标准^[20]。因此，碳纤维增强聚合物基复合材料有着广泛而深远的发展前景。

1.2碳纤维复合材料缠绕工艺

此次研究选用的是成熟的纤维缠绕成型工艺。纤维缠绕增强塑料制品除了具有一般纤维增强塑料制品的优点外，还具有比强度高、可靠性高、生产效率高等特点^[2]。本文主要针对两种不同碳纤维和四种不同环氧树脂的匹配性进行力学性能实验研究，选用缠绕工艺制备NOL环和单向板试样，进行力学性能测试，并且处理数据，列表画图，分析不同匹配型的碳纤维/树脂复合材料的力学性能。

缠绕成型工艺可分为湿法缠绕和干法缠绕，其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好，应用较为广泛^[3]。湿法缠绕是将纤维浸渍树脂胶液后直接缠绕到芯模上。图1.1为湿法缠绕体系工艺图。湿法缠绕设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。此次实验中，芯模选用的是钢制圆柱和方形单向板芯模。