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NOL环层间剪切强度对T700S级干喷湿纺碳纤维湿法缠绕复合材料性能的影响

更新时间:2009-03-28

1 前言

聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)基碳纤维是一种以PAN原丝为前驱体,经过1000℃以上高温处理制得的碳含量在90%以上的无机纤维材料,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性能,其产量占世界碳纤维总产量的90%以上,已广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械、汽车、能源等工程和民用领域[1]。湿法缠绕是碳纤维应用于复合材料压力容器领域的一种重要的成型工艺方法,它可以减少其他工艺方法(如干法缠绕工艺等)在复合材料成型过程中对碳纤维造成的强度损失,因此在固体火箭发动机壳体、高压气瓶和化工管道等碳纤维缠绕复合材料制品中得到了广泛应用。

目前生产PAN原丝的纺丝工艺主要为湿法纺丝法和干喷湿纺法。上述两种纺丝工艺生产的PAN原丝制成碳纤维后,其表面状态和在湿法缠绕复合材料中的强度转化率等方面均存在着较大差异。研究表明,表面光滑、截面规则、具有较好韧性的干喷湿纺碳纤维缠绕工艺性能优良,性能发挥率高。其性能较湿法纺丝、表面有沟槽、截面不规则、脆性较大的碳纤维要高,更适合缠绕工艺成型[2]。但由于各生产厂家研制的干喷湿纺碳纤维表面状态不完全相同,其性能在湿法缠绕成型的复合材料中的发挥也不尽相同。因此,本文选取不同厂家的T700S级干喷湿纺碳纤维开展了NOL层间剪切强度对湿法缠绕复合材料性能的影响研究,为国产干喷湿纺T700级碳纤维的研制及在缠绕复合材料构件上应用提供借鉴。

2 实验

2.1 原材料

表1所列4种碳纤维;自制环氧树脂基体。

 

表1 不同厂家的T700S级干喷湿纺碳纤维及其性能(标准值)

  

制造厂家牌号拉伸强度(GPa)拉伸模量(GPa)断裂伸长率(%)纺丝工艺纤维直径(μm)东丽公司T700S-12K4.902302.1干喷湿纺7国内厂家1GN1#-12K4.902302.1干喷湿纺7国内厂家2GN2#-12K4.902402.0干喷湿纺7国内厂家3GN3#-12K4.902302.1干喷湿纺7

2.2 试样的制备

2.2.1 复合材料NOL环制备

纤维经过胶槽浸渍后缠绕在专用模具上,固化后制作成NOL环进行力学性能测试。

NOL环测试后残样扫描电镜照片见图2。

由于对乡镇基层农业统计工作缺乏足够的重视,组织管理不到位,从而导致统计人员大量流失,一些有能力的人员纷纷考走,谋求更高的职业。乡镇基层农业统计人员往往年龄偏大,能力和素质相对偏低,对统计新技术和方法接受程度不高,不愿意主动创新,责任心不高;一些新来的人员缺乏系统专业的培训,缺乏经验知识,从而导致数据分析不到位,数据报表存在漏报、错报等情况,但没有引起足够的重视,从而影响统计数据质量。

纤维经过胶槽浸渍后缠绕在专用芯模上,固化后脱模,然后进行水压爆破试验。

2.3 分析测试

复合材料NOL层间剪切强度按GB 1461—88测试。

SEM:日本S-2700扫描电子显微镜

涉及工程最累的义务劳动就是搬水泥,卸黄沙、石子,办公室专门买了几十把铁锹,与开展义务植树造林一样。根据工程预算,大约有近两千方黄沙、石子,一百多吨水泥的卸载量。分管财经的李副镇长算了一笔账,每天按三十人次卸四车,每方可以节省一块五的费用,到工程竣工时,可节省五六千元的费用。开头几天,干部职工挥汗如雨干劲儿十足,运沙石的车一到施工现场,几个个儿高的就迅速上去打开车厢板,沙石就自动下滑,车上的人拿锹就往下掀,下面的人将沙石拢成一堆即可。扛水泥稍累点,用一件旧衣服顶在头上,人背靠车厢,车上有两个人顺手将一包水泥放在你的背上,手脚比花钱请的小工还利索。距离汽车几十米远的会议室就是存放水泥的临时仓库。

《庄子·天地》中写道:“能有所艺者,技也。” 道是基础,而道由技才能展现出来。由技通于艺,由艺通于道。道存于技,而道又进乎于技,这就是技道合一。

3 结果与讨论

3.1 碳纤维表面状态研究

图1为4种T700S级碳纤维的表面及截面扫描电镜照片。

φ150mm复合材料压力容器性能按GB/T 6058—2005测试。

白鸽玲等[14]采用表面活性剂促助法,以PEG-20000作为包覆剂,制备出MoS2纳米球,并以Span-80为分散剂,制得1% MoS2纳米球和市售超细二硫化钼微米粉末复合润滑油,并对其滚动摩擦性能进行了研究。

不同地区的土壤条件存在较大的差异,因而在水利工程施工建设的影响下,土壤条件产生的变化是截然不同的。例如,在南方地区,土壤多为红土,土壤中的酸性物质含量较高,而水利工程施工建设完成后,周围区域的地下水位会随之升高,从而使当地土壤的酸碱度遭到破坏、氮元素含量大大降低,土壤肥力下降,农业生产会受到影响。而在北方地区,土壤大多为黄土,由于土壤中的水分含量较低,因而碱性物质的含量会比较高,而在水利工程的影响下,当地植被覆盖率大大下降,降水量会随之减少,土壤中的水分含量也会变得更低,土壤的酸碱度同样会失衡,最终使土壤肥力下降。

  

图1 四种碳纤维表面及截面形貌

由图1可见,GN1#、GN2#、GN3#碳纤维表面光滑,纤维断面基本呈圆形,与T700S碳纤维比较相似。其中GN2#碳纤维有少量纤维单丝断面不够圆整。

3.2 国产碳纤维复合材料NOL环层间剪切性能研究

对于复合材料来说,界面的作用非常重要。适中的界面结合强度是比较理想的,界面结合过强和过弱都不利于发挥材料的性能[3]。界面过强会造成复合材料脆性增大,对缺陷裂纹等敏感。界面过弱则无法有效地传递载荷。从图2可看出,T700S碳纤维复合材料NOL环层剪破坏断面纤维表面粘连的基体树脂很少。而随着层剪强度的提高,GN3#、GN1#、GN2#纤维与基体树脂结合越紧密。纤维与树脂界面结合程度必将对纤维在复合材料压力容器中的性能发挥产生影响。

 

表2 四种碳纤维NOL环层间剪切性能对比

  

纤维T700SGN1#GN2#GN3#层剪强度(MPa)59.868.372.163.4

2.2.2 φ150mm复合材料压力容器制备

之后,沙莉又有理有据地说:“我认为公司目前发展状况良好,虽然需要扩大市场,但也不能太急功近利,如果我们一味视金钱不认人情,很快,我们便会自断后路。其实,在开展业务的时候,我们很多时候更应该像植物,净化客户的私人空间获取他们的欣赏、信任,这样,才能达到‘投之以桃,报之以李’的效果。”

  

图2 碳纤维复合材料NOL环层剪破坏形貌

NOL环复合材料层间剪切性能是反映树脂与纤维结合状态的重要表征参数。通过NOL环的缠绕试验和层间剪切性能测试可以判定纤维与树脂配方的界面浸润性、粘结性及受力状态下传递应力的能力。表2列出了4种碳纤维复合材料NOL环层间剪切性能。

3.3 碳纤维复合材料φ150mm容器性能研究

采用与T700S相同的缠绕工艺,制备了4种碳纤维φ150mm容器,并进行了水压爆破性能试验,结果见表3,破坏形貌见图3。

 

表3 两种碳纤维复合材料φ150mm容器性能

  

纤维设计压力(MPa)爆破压力(MPa)环向纤维发挥强度(MPa)环向纤维强度转化率(%)容器效率PV/W(km)T700S3438.1438889.643.0GN1#3436.7422788.241.8GN2#3435.4408383.339.7GN3#3437.1427688.942.2

  

图3 φ150容器爆破形貌

表3中的结果表明,碳纤维φ150mm容器性能与其NOL环层剪性能有关联,NOL环层剪性能低的纤维,其φ150mm容器性能要好。从图3中也可以看出,容器爆破性能越高,其纤维的松散程度也越高。此结果说明层剪强度越高,其纤维与树脂的结合越牢固,不利于容器破坏时的纤维拔出,破坏吸收能量较少,造成容器爆破压强较低。

试验结果也说明,爆破后的形貌与其层剪强度值也有相关性。爆破强度较高的两种碳纤维复合材料(GN1#、GN3#)断面纤维拔出较多,纤维表面光滑,只沾有少量的树脂,拔出状态与T700S碳纤维的拔出状态十分相似,这种界面状态说明纤维与树脂的结合程度适中,纤维拔出吸收了较多能量,纤维性能得到了较高的发挥。而爆破强度较低的碳纤维复合材料(GN2#)断面纤维拔出较少,复合材料呈脆性破坏,纤维性能发挥较低。

4 结论与建议

(1)国内T700S级碳纤维与东丽T700S碳纤维表面比较相似,部分纤维断面不够圆整。

(2)碳纤维复合材料NOL环层间剪切强度与φ150mm容器爆破性能相关,层间剪切强度越高,其φ150mm容器爆破性能越低。

(3)纤维研制及应用单位应致力于改善纤维表面及其与树脂基体的结合状态,使其与树脂基体的结合程度适中,以利于纤维在压力容器上的性能发挥。

参考文献

[1] 王成国,朱波. 聚丙烯腈基碳纤维[M]. 北京:科学出版社,2011.

[2] 陈烈民,杨保宁. 复合材料的力学分析[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

 
程勇,尤丽虹,李锵,刘宁,常雪梅
《高科技纤维与应用》2018年第02期文献
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