大丝束碳纤维与T300-3K的力学性能对比研究

　　由于大丝束碳纤维（≥48K，即一束丝含有4.8万根碳丝)具有价格低、来源容易、性能与12K碳纤维相当等优点，其复合材料在钓鱼竿、高尔夫球杆、建筑补强、天然气储罐、医疗器械等方面应用广泛，随着大丝束碳纤维价格的进一步降低，其应用领域将不断扩大。目前，航空航天领域所用复合材料主要使用3K-12K碳纤维，还未见有大丝束碳纤维在此领域应用的报道。它能否在航空航天领域应用的关键决定于其复合材料的力学性能及其稳定性。

　　复合材料单向板的力学性能是由纤维、树脂基体以及纤维一树脂界面性能等因素决定的，它是飞机结构设计的重要工程参数，也是评价材料性能优劣的常用参数。因此，为评价大丝束碳纤维复合材料，首先考查了48K碳纤维复合材料的力学性能，分别测试了其纵横向拉伸性能、纵横向压缩性能、主泊松比、面内剪切性能、层间剪切强度等，并与目前已应用于飞机结构件的5222/T300-3K复合材料进行了对比。

　　通过实验可以看出，48K碳纤维复合材料单向板的纵横向拉伸强度、纵横向压缩强度、面内剪切强度、层间剪切强度、主泊松比等都不低于T300-3K碳纤维复合材料的相应性能，这说明树脂基体对48K碳纤维的浸润性较强，界面粘结性良好，表现为面内剪切强度和层剪强度较高。在纵横向拉伸模量、纵横向压缩模量、面内剪切模量方面，48K碳纤维复合材料与T300-3K碳纤维复合材料相比均有所降低。

　　48K碳纤维和T300-3K碳纤维的模量相当，都在230GPa左右，也就是说，纤维的影响较小；另外，其横向拉伸模量下降达9.5%，这也正说明了模量的下降主要与树脂基体有关。如前所述。5222B树脂在5222树脂的基础上为适应48K碳纤维浸润性要求进行了增韧改性，添加了一种热塑性增韧剂，提高其粘度，使其适于热熔胶膜法制备预浸料。由于热塑性增韧剂的模量较低，影响了整个树脂体系的模量，从而导致复合材料的模量降低。但模量的下降均在10%以内。

　　与5222/T300复合材料多向板力学性能相比，仍然是在拉伸强度、压缩强度等方面，5222B/48K复合材料要高于5222/T300-3K；而在压缩模量、面内剪切模量方面，则前者低于后者，情况与单向板力学性能一致，说明模量的下降也与树脂基体的增韧改性有关，但由于模量下降都在10%以内，故它可以用在对模量要求不高的飞机非承力件或次承力件上。

　　为了考查5222B/48K复合材料的耐湿热性能，将其进行湿热（70℃，相对湿度≥95%）1000h处理后，测试其吸湿率及其在室温和130C下的弯曲性能和层间剪切性能，并与5222/T300-3K复合材料的湿热性能进行了对比，试验结果表明，5222B/48K大丝束碳纤维复合材料经湿热处理后的性能保持率与5222/T300-3K相当，并且前者的吸湿率低于后者，说明其耐湿热性能优良。

　　5222B/48K大丝束碳纤维预浸料，其复合材料单向板和多向板的常规力学性能除模量略有下降外，其他性能与5222/T300-3K复合材料相当。另外，其耐高温、耐湿热性能优良，有望在航空航天领域的次承力件或非承力件上通过试用后得到正式应用。