碳纤维超低温力学性能试验方法

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碳纤维超低温力学性能试验方法

【摘要】本文主要介绍碳纤维超低温力学性能实验所选用的原材料，即碳纤维增强环氧树脂T700/TDE-85 预浸料，及其它组成要素的特点;另外，本文着重介绍了在实验环节涉及的实验方法，例如：复合材料超低温处理、复合材料微观形貌观察、复合材料拉伸强度测试等。

【关键词】碳纤维低温力学性能材料性能试验

碳纤维主要是由碳元素组成的一种纤维，其含碳量一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特质，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

1 试验材料

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物

碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构树脂基复合材料中最高。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。

正因如此，本文采用的试验原材料是由碳纤维作为增强材料，以改性环氧树脂作为基体组成的T700/TDE-85预浸料，其纤维体积含量为582%。该预浸料性能优异，由其制备复合材料力学性能优良，且有较好的韧性，适用于超低温下使用。

本项工作针对碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行研究，增强纤维型号为12k的T700碳纤维。

2 试验材料

2.1 复合材料试样切割

试验采用SYJH-200型手动快速切割机，本机适合各种复合材料、晶体、陶瓷、玻璃、岩石及金相试样等材料的粗加工，该设备可使用金刚石锯片、电镀金刚石锯片和树脂锯片，切割复合材料时采用的是电镀金刚石锯片。

2.2 复合材料超低温处理方法

由于可重复使用复合材料超低温液体燃料贮箱(包括液氧、液氮、液氢等燃料贮箱)在使用过程中，会长期贮存超低温液体燃料，还会经常充卸超低温液体燃料，即长期在超低温环境及多次超低温/室温环境循环使用，因此，研究用于超低温液体燃料贮箱的复合材料，就需要模拟超低温液体燃料贮箱的使用工况，研究复合材料在超低温环境中浸渍及超低温/室温循环的力学性能。

将制备好的碳纤维增强环氧树脂复合材料在经过超低温环境，即液氮中浸渍5天。其中，液氮使用真空罐盛装。将实验材料放入事先注入足量液氮的容器内，使其完全浸没在液氮中，盖紧容器盖，密封好，记录好开始实验的时间。在随后的5天内，每天均需要进行观测，以保证液氮足量，保证复合材料始终处于超低温环境中。

关于超低温/室温循环实验，我们所用到的实验装置是步进机，该仪器可以按照预先设置的时间间隔，将一端拉伸的实验样本循环放入盛装液氮的容器中，使得实验材料完成浸入―离开--浸入―离开这一循环，直至达到预设次数(时间)。

在这个试验中，需要注意根据国家标准来确定样本置于常温中和置于液氮状态中的时间，这样的目的是为了使复合材料充分完成热量传导：在常温和超低温环境中，均能使得复合材料各个部分温度达到统一。

这个实验在实际应用中的工况体现在火箭中的液氧(液氢)贮箱。伴随我国航天事业的发展，对于降低运载火箭发射成本成为非常有实际价值的问题。超低温/室温循环实验的目的是为了检验复合材料在超低温/室温循环的状态下，材料的力学性能变化。

2.3 复合材料微观形貌研究方法

扫描电子显微镜(scanning electron microscope)，简称扫描电镜(SEM)。是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。

在针对复合材料的微观形貌的研究中，我们将对式样在超低温环境下浸渍5天后及超低温/室温循环100次后微观形貌通过扫描电子显微镜观察。通过文献中的介绍，超低温浸渍将会对复合材料(碳纤维增强材料和树脂基材料界面间)产生微裂纹。该实验的目的是为了分析这样微观变化对材料整体强度的影响。

2.4 复合材料超低温拉伸强度测试方法

测试使用的仪器为100kN电液伺服动静试验机。主机单元主要由负荷机架、伺服作动器、伺服阀、液压夹头、传感器、以及横梁等几部分组成。仪器主要适用于金属及非金属材料的测试，如橡胶、塑料等;有色金属金属线材的拉伸、压缩、弯曲、剪切等多种试验。

电液伺服试验机最大工作载荷为100KN，作动器行程为50mm，函数发生器频率为0.001～50Hz，控制波形包括正弦波、三角波、方波、斜波、梯形波、组合波、外部输入波等。试验净空间600mm1500mm。

该机能够完成金属材料、非金属材料的拉伸、压缩、断裂试验，可实现负荷、位移、变形三种闭环控制。控制系统为模拟控制和微机控制的综合控制系统。

伺服拉力机主机的操作流程如下：

首先，操作计算机，使伺服作动器移动到中心零位。

再根据试验要求选择好位移量程。松开上、下夹头，此时上、下夹头按钮上的指示灯灭，上、下夹头均处于松开状态，然后按横梁上升(下降)按钮，使横梁到达两夹头之间距离为试件长度的1.5～2倍左右的位置，通过软件调节，使伺服作动器中心位置为试验所需位置。

调整完毕后，即可将试件一端送入上夹头钳口内，深约30mm～50mm(具体尺寸取决于试样)，按住下降按钮，下降按钮指示灯亮，横梁向下移动，使试件另一端进入下夹头钳口内，深约30mm，此时应检查一下电箱的设置是否正确，如正确则按下上夹头、下夹头按钮，使上、下夹头夹紧试件，此时上、下夹头指示灯亮，即可进行试验。

试验结束后卸下试样时，首先将控制状态转到位移方式，将负荷值调到零附近，松开下夹头，然后将横梁升起至适当的位置，再将试样取下。关闭电源等。

3 结语

本文主要介绍了碳纤维增强环氧树脂T700/TDE-85预浸料组成要素的性质;另外，着重介绍了在实验环节涉及的实验方法、器材、工艺，对一般碳纤维超低温力学性能试验规程及其相关科研工作具有一定参考价值。

参考文献：

[1]王戈，刘长军，李效东，李公义.聚合物基复合材料在液氧贮箱中的应用研究.宇航材料工艺，2004，1.

[2]于建，晏飞.可重复使用运载器复合材料低温贮箱应用研究.火箭推进，2009，35(6)：19-22.

[3]周翼.《高分子材料基础》.国防工业出版社.