西南石油大學王斌課題組獲得抗裂紋能力優良的碳纖維/PBO混雜復合材料

 

 

　　碳纖維復合材料的脆性對損傷非常敏感，抵抗裂紋擴展能力差，容易造成毀滅性破壞。在應用研究中發現，采用與高性能有機纖維混合形成混雜復合材料，是當前碳纖維復合材料提高其綜合性能研究與應用的一個重要發展方向，而且擴大了其應用范圍，受到了復合材料界的普遍關注。

 

　　本文提供了一種碳纖維/PBO（聚對苯撐苯并雙噁唑）層間混雜復合材料制備方法，突出了混雜比、不同性能的碳纖維以及不同的粘接界面與PBO/碳纖維復合材料的拉伸性能和層間剪切性能密切關系，同時也提供了一種利用不同的粘接界面研究混雜效應的新思路。

 

　　課題組采用PBO纖維與兩種類型的高性能碳纖維（HTA-P30和T800）進行層間混雜，與環氧樹脂復合形成復合材料。實驗數據表明，HTA-P30、T800在鋪層混雜次序和混雜比完全相同的情況下，與PBO纖維混雜后其復合材料性能有一定的差異，其與混雜比的變化關系在圖1-圖3中更為直觀。HTA-P30碳纖維與PBO纖維混雜后，拉伸強度和模量均低于混合定律計算值（圖1（a）和圖2（a）），而T800碳纖維與PBO纖維混雜后，其復合材料的拉伸強度低于混合定律計算值（圖1（b）），拉伸模量則高于混合定律計算值（圖2（b）），這可能與T800碳纖維的拉伸強度、模量和工藝性均優于HTA-P30碳纖維有關。但無論PBO纖維與HTA-P30碳纖維混雜還是與T800碳纖維混雜，層間剪切強度均高于混合定律計算值(圖3)，且這三種性能（拉伸強度、模量和層間剪切強度）的離散系數Cv均有不同程度的降低，這些說明PBO纖維的加入，有利于提高碳纖維復合材料的層間剪切性能，降低其性能的分散性。

 

（a）HTA-P30與PBO混雜

 

（b） T-800與PBO混雜

 

　　圖1  HTA-P30和 T-800與PBO混雜后的拉伸強度、離散系數與混雜比的關系

 

(a) HTA-P30與PBO混雜

 

(b) T-800與PBO混雜

 

　　圖2  HTA-P30和T-800與PBO混雜后的彈性能模量與混雜比的關系

 

(a) HTA-P30與PBO混雜

 

(b) T-800與PBO混雜

 

　　圖3  HTA-P30和T-800與PBO混雜后的剪切強度與混雜比的關系

 

　　由于PBO纖維與環氧樹脂的層間剪切強度只有24.6 MPa，屬于弱界面，本文對于PBO纖維進行了表面偶聯劑處理(處理后PBO纖維/環氧的界面粘強度比未處理可提高61.3％)，研究界面粘接性能對混雜效應的影響。處理后的PBO纖維與T-800纖維進行混雜，由于提高了其界面粘結性能，其拉伸強度σ、彈性模量E、層間剪切強度τ 的混雜效應Re均有不同程度的增大，其中τ 的Re增幅快，τ 的Re增幅快，高可分別提高178.6%和88.5％。這表明PBO纖維/環氧弱界面層粘結性能的改善，可明顯提高混雜復合材料的層間剪切性能。

 

圖4  表面處理前后Vcf與Re的柱形關系圖

 

　　引用格式！王斌,王文靜,呂鈞煒,等.碳纖維/PBO纖維層間混雜復合材料性能[J].固體火箭技術,2019,42(6):741-746.

 

　　WANG Bin,WANG Wenjing,LV Junwei,et al.

 

　　Mechanical properties of unidirectional carbon-PBO fiber reinforced hybrid composite[J].Journal of Solid Rocket Technology,2019,42(6):741-746.