1 引言

碳纖維復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比模量與強(qiáng)可設(shè)計(jì)性，已成為高端裝備減重增效的關(guān)鍵材料。碳纖維作為復(fù)合材料的主要承載骨架，其微觀結(jié)構(gòu)特征直接決定與基體的界面結(jié)合狀態(tài)，進(jìn)而影響復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能與損傷容限。近年來，高性能碳纖維制備技術(shù)取得突破，T800G碳纖維逐步實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。但在復(fù)合材料整體性能方面，碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化效率仍較低。研究表明，該問題不僅與碳纖維表面化學(xué)活性相關(guān)，更受其多尺度結(jié)構(gòu)協(xié)同作用支配。揭示從碳纖維微觀結(jié)構(gòu)到界面行為、再到宏觀性能的跨尺度構(gòu)效關(guān)系，對(duì)推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料性能提升具有重要科學(xué)意義與工程價(jià)值。

在碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能調(diào)控中，碳纖維表面形貌與纖維–基體界面性能的關(guān)系是研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，碳纖維表面粗糙度越高，通過機(jī)械互鎖作用增強(qiáng)界面結(jié)合，可改善復(fù)合材料層間性能與沖擊韌性。相關(guān)研究表明，碳纖維表面粗糙度提高可顯著降低復(fù)合材料裂紋萌生與擴(kuò)展速率，促進(jìn)裂紋沿界面擴(kuò)展，吸收更多斷裂能。但近期研究表明，過度追求碳纖維高表面粗糙度可能導(dǎo)致纖維–基體界面結(jié)合過強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)界面提前失效。另有研究指出，當(dāng)碳纖維表面溝槽深度超過臨界閾值，樹脂基體無法完全浸潤(rùn)溝槽根部，顯著降低界面載荷傳遞效率。這表明碳纖維表面形貌對(duì)纖維–基體界面性能的影響呈非線性關(guān)系。

此外，碳纖維皮芯結(jié)構(gòu)作為制備工藝產(chǎn)生的固有特征，其對(duì)復(fù)合材料性能的潛在影響長(zhǎng)期被忽視。皮芯結(jié)構(gòu)不均勻性會(huì)導(dǎo)致碳纖維軸向力學(xué)性能不均，外部載荷作用下，芯部缺陷易成為裂紋萌生優(yōu)先位置。相關(guān)研究通過調(diào)控碳纖維制備工藝弱化皮芯結(jié)構(gòu)，提升徑向均勻性。另有研究基于廣義單元法建立纖維–基體界面多尺度模型，證實(shí)皮芯結(jié)構(gòu)的剛度與厚度顯著影響復(fù)合材料剪切強(qiáng)度。

然而，現(xiàn)有研究多單獨(dú)關(guān)注碳纖維表面形貌或皮芯結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)二者協(xié)同作用的探索有限。干噴濕紡T800G碳纖維因其復(fù)合材料優(yōu)異性能，成為航空航天主承力結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料，該工藝進(jìn)一步放大了碳纖維微觀結(jié)構(gòu)對(duì)最終復(fù)合材料性能的影響。目前對(duì)該類微觀結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹脂適配性的認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致T800G碳纖維實(shí)際應(yīng)用中難以達(dá)到理想設(shè)計(jì)窗口。因此，建立碳纖維表面形貌、皮芯結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料關(guān)鍵力學(xué)性能間的清晰映射關(guān)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與損傷容限同步提升至關(guān)重要。

沖擊后壓縮性能（CAI）是碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵韌性指標(biāo)與設(shè)計(jì)許用值，直接決定結(jié)構(gòu)使用極限與材料技術(shù)代際提升。本研究選用兩種T800G碳纖維（CF-low與CF-high），采用多尺度表征方法，系統(tǒng)研究纖維表面形貌與皮芯結(jié)構(gòu)對(duì)其復(fù)合材料CAI性能的影響，為T800G碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究采用中國(guó)威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的干噴濕紡T800G碳纖維，制備工藝示意圖如圖1所示。紡絲液經(jīng)噴絲板擠出后，先通過空氣層再進(jìn)入凝固浴，發(fā)生雙擴(kuò)散與相分離，隨后纖維經(jīng)預(yù)氧化、碳化處理制得最終碳纖維。僅通過微調(diào)凝固浴濃度，獲得兩種具有不同微觀結(jié)構(gòu)特征的碳纖維，測(cè)試所得典型性能如表1所示。為消除上漿劑對(duì)纖維微觀結(jié)構(gòu)研究的干擾，使用前采用溶劑對(duì)碳纖維進(jìn)行脫漿處理?；w采用航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心研發(fā)的高韌性環(huán)氧樹脂，測(cè)試所得典型性能如表2所示。在100~130 ℃條件下采用環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維制備預(yù)浸料，整體制備流程如圖2所示。

表1 碳纖維基本性能

表2 基體基本性能

圖1 干噴濕紡工藝示意圖

圖2 碳纖維復(fù)合材料制備流程

2.2 碳纖維表面形貌測(cè)試

采用Quanta450 FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察碳纖維二維表面形貌。采用Dimension ICON原子力顯微鏡（AFM）定量納米力學(xué)性能測(cè)試模式觀察碳纖維三維表面形貌，獲取表面粗糙度算術(shù)平均值（Ra）與均方根值（Rq）。通過標(biāo)定剛性探針在選定區(qū)域獲取力–曲線陣列，確定局部壓縮模量值。

2.3 碳纖維皮芯結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用SEM-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)測(cè)試碳纖維徑向皮芯結(jié)構(gòu)。測(cè)試前，采用環(huán)氧樹脂將碳纖維包埋固化，置于液氮中脆斷，經(jīng)打磨、拋光、清洗后，使用532 nm激光沿纖維徑向掃描。疊加SEM與拉曼數(shù)據(jù)，提取峰強(qiáng)比（ID/IG）作為石墨化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)，示意圖如圖3所示。

圖3 SEM-拉曼成像示意圖：(a,b)試樣制備；(c)測(cè)試；(d)纖維徑向網(wǎng)格掃描；(e)典型結(jié)果

2.4 復(fù)合材料落錘沖擊（DWI）與沖擊后壓縮（CAI）測(cè)試

按照ASTM D 7136標(biāo)準(zhǔn)，在Instron 9440試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行落錘沖擊測(cè)試。采用直徑16 mm半球形鋼沖頭，以6.67 J/mm能量沖擊復(fù)合材料中心，測(cè)試后測(cè)量壓痕深度并進(jìn)行C掃描檢測(cè)。按照ASTM D 7137標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行CAI測(cè)試，在Instron 5982試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，當(dāng)復(fù)合材料失效或載荷下降至最大載荷的30%時(shí)停止測(cè)試，每組測(cè)試至少獲得5組有效數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本研究闡明了干噴濕紡T800G碳纖維微觀結(jié)構(gòu)差異對(duì)復(fù)合材料沖擊后壓縮性能（CAI）的影響。結(jié)果表明，盡管CF-low具有更高的表面粗糙度（323 nm vs 221 nm），但其更強(qiáng)的界面結(jié)合并未轉(zhuǎn)化為更優(yōu)的抗沖擊性能，相同測(cè)試條件下復(fù)合材料損傷更嚴(yán)重。該差異主要?dú)w因于纖維–基體界面（FMI）與纖維結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控。CF-low復(fù)合材料失效以纖維脆性斷裂為主，強(qiáng)界面結(jié)合抑制沖擊過程能量耗散，碳纖維顯著的“硬殼軟芯”皮芯結(jié)構(gòu)加劇應(yīng)變不匹配，引發(fā)以纖維芯部塌陷為主的失效，最終形成強(qiáng)界面–剛性載荷傳遞–纖維脆性斷裂的連鎖反應(yīng)。相比之下，CF-high復(fù)合材料通過適中的界面強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式損傷擴(kuò)展，通過界面脫粘、分層與基體開裂有效耗散能量，同時(shí)纖維自身韌性提供更優(yōu)抗塌陷能力。

本研究揭示并驗(yàn)證了僅追求高表面粗糙度與高模量值的碳纖維設(shè)計(jì)范式在抗沖擊場(chǎng)景下的局限性，首次從纖維皮芯結(jié)構(gòu)均勻性與界面相容性協(xié)同調(diào)控角度闡明復(fù)合材料沖擊損傷行為的微觀機(jī)制。通過建立“纖維皮芯結(jié)構(gòu)均勻性/界面相容性/宏觀沖擊行為”之間的關(guān)聯(lián)，提出兼顧纖維結(jié)構(gòu)均勻化、界面優(yōu)化與缺陷抑制的新型設(shè)計(jì)范式，為研發(fā)新一代“高強(qiáng)高韌”碳纖維復(fù)合材料提供重要理論依據(jù)與工藝方向。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。