摘要：本文以軌道和公路交通輕量化為背景，針對(duì)汽車(chē)和高鐵用T700級(jí)碳纖維復(fù)合材料中環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性開(kāi)展研究。研究從T700碳纖維和E51環(huán)氧樹(shù)脂兩方面展開(kāi)，包括碳纖維表面的理化結(jié)構(gòu)對(duì)其樹(shù)脂浸潤(rùn)性影響、稀釋劑用量和浸潤(rùn)溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂黏度以及表面張力的影響等。最終探明碳纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)其在E51環(huán)氧樹(shù)脂中浸潤(rùn)性的影響規(guī)律，解析浸潤(rùn)溫度和環(huán)氧樹(shù)脂粘度等對(duì)纖維浸潤(rùn)效果的影響，為汽車(chē)/高鐵用碳纖維表面結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹(shù)脂的匹配性奠定理論基礎(chǔ)和積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，“節(jié)能環(huán)?！痹絹?lái)越成為社會(huì)廣泛關(guān)注的話題。碳纖維因具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕、成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，成為軌道和公路交通輕量化的理想材料。專(zhuān)家認(rèn)為，隨著我國(guó)碳纖維行業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排和車(chē)體輕量化大方向的指引，碳纖維材料或?qū)⒊蔀檐壍篮凸方煌ń纭笆萆砀锩钡念I(lǐng)導(dǎo)者。而欲制備綜合性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料，必須對(duì)纖維的浸潤(rùn)性及其影響因素進(jìn)行研究。

本文從T700級(jí)碳纖維（濕法和干濕法）的表面理化結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合常用E51環(huán)氧樹(shù)脂的黏度表面張力等物理特性，開(kāi)展碳纖維樹(shù)脂微觀浸潤(rùn)性研究，以期探明影響樹(shù)脂浸潤(rùn)性的碳纖維表面結(jié)構(gòu)要素，揭示碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間的結(jié)構(gòu)與工藝匹配性，為高鐵/汽車(chē)用碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂的界面結(jié)合提供理論支撐和數(shù)據(jù)積累。

1 T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)性研究的可行性分析

前期探索性研究工作表明，通過(guò)凝固浴濃度、凝固浴溫度和凝固浴的pH值的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)碳纖維表面溝槽尺寸的調(diào)節(jié)，因此制備不同表面溝槽結(jié)構(gòu)的碳纖維可行;有報(bào)道上漿量與碳纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系，環(huán)氧樹(shù)脂黏度的溫度響應(yīng)性顯著。

在以上實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)之上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，本研究合理設(shè)計(jì)了研究?jī)?nèi)容，保障研究工作的順利展開(kāi)。

作者所在的北京化工大學(xué)碳纖維研究所是國(guó)內(nèi)碳纖維及其復(fù)合材料研究開(kāi)發(fā)的核心單位之一，在業(yè)界具有很強(qiáng)的影響力。作者及所在的團(tuán)隊(duì)從事碳纖維制備技術(shù)多年，在碳纖維表面結(jié)構(gòu)調(diào)控和表征方面做了大量的工作，為本研究的順利實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。本研究依托的北京化工大學(xué)碳纖維研究所，擁有本研究制備碳纖維所用的原絲和碳化實(shí)驗(yàn)線，擁有測(cè)試表征所需要的動(dòng)態(tài)接觸角（表面張力）、流變儀、傅里葉紅外、DSC和TG等相關(guān)測(cè)試儀器，課題所在的北京化工大學(xué)擁有課題測(cè)試表征所需要的X射線光電子能譜、掃描電鏡，以上條件為本研究的順利開(kāi)展提供了保障。

2浸潤(rùn)性研究方案

2.1碳纖維的表面理化結(jié)構(gòu)調(diào)控

樹(shù)脂對(duì)碳纖維表面的浸潤(rùn)性影響因素有很多。碳纖維表面的比表面積的大小，碳纖維表面的溝槽結(jié)構(gòu)或纖維表面的活性基團(tuán)的數(shù)量和種類(lèi)，均對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性有影響。

2.1.1上漿量對(duì)碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

采用XPS結(jié)合SEM研究上漿劑用量對(duì)濕法和干濕法碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，并將二者進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.2碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)調(diào)控

分別研究濕法和干濕法碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)改變濕法紡絲原絲制備工藝，制備表面物理結(jié)構(gòu)不同的T700碳纖維，并用matlab對(duì)其表面溝槽進(jìn)行表征。

2.2樹(shù)脂表面張力和粘度的影響因素研究

樹(shù)脂的表面張力和黏度影響樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性。樹(shù)脂的黏度越大，其越難浸潤(rùn)纖維;樹(shù)脂的表面張力越小，浸潤(rùn)纖維越易。

2.2.1溫度對(duì)樹(shù)脂的表面張力和黏度的影響規(guī)律

樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維應(yīng)該在一定的溫度下進(jìn)行，研究溫度對(duì)樹(shù)脂表面張力和黏度的影響，有益于確定合理的工藝參數(shù)。

2.2.2稀釋劑對(duì)樹(shù)脂表面張力和黏度的影響規(guī)律

E51環(huán)氧樹(shù)脂常用的稀釋劑為乙醇和丙酮，配置不同比例的環(huán)氧樹(shù)脂與稀釋劑的混合物，測(cè)試稀釋劑種類(lèi)和用量對(duì)樹(shù)脂表面張力和黏度的影響規(guī)律。

2.3樹(shù)脂的碳纖維浸潤(rùn)性

表面浸潤(rùn)性能是碳纖維的一項(xiàng)重要性能，它對(duì)復(fù)合材料的性能有著至關(guān)重要的影響。表面浸潤(rùn)性能的評(píng)價(jià)一般是以碳纖維與樹(shù)脂基體間的接觸角和碳纖維表面能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，碳纖維與樹(shù)脂間的接觸角一般分為纖維束與樹(shù)脂間接觸角和單絲與樹(shù)脂間接觸角，本文研究的是后者。

碳纖維與樹(shù)脂的復(fù)合首先是一個(gè)浸潤(rùn)過(guò)程，復(fù)合材料界面的形成過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)固化形成復(fù)合材料。樹(shù)脂是否能充分浸潤(rùn)纖維直接關(guān)系到界面性能的好壞。如果樹(shù)脂與碳纖維表面的接觸角小，證明樹(shù)脂對(duì)碳纖維表面浸潤(rùn)性好;反之，如果接觸角大，證明樹(shù)脂對(duì)碳纖維表面的浸潤(rùn)性較差，如圖1所示。

以前兩小結(jié)研究為基礎(chǔ)，選擇合適上漿量不同表面物理結(jié)構(gòu)的碳纖維，進(jìn)行樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性研究，接觸角小的浸潤(rùn)性好，最終確定最佳工藝路線。

3 T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)性研究的研究方法和技術(shù)路線

3.1研究方法

掃描電子顯微鏡（SEM）。上漿量對(duì)碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)的影響研究，采用掃描電鏡對(duì)不同上漿量的碳纖維表面形貌進(jìn)行觀察，并進(jìn)行宏觀解析;掃描電鏡測(cè)試不同表面物理結(jié)構(gòu)的樣品的截面，用于matlab計(jì)算。

X射線光電子能譜（XPS）。上漿量對(duì)碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究，采用XPS測(cè)試并根據(jù)特征峰的位置，計(jì)算各特征結(jié)構(gòu)的含量。

流變儀。溫度和稀釋劑品種用量對(duì)樹(shù)脂黏度的影響，采用流變儀進(jìn)行測(cè)試。

表面張力儀。溫度和稀釋劑品種用量對(duì)樹(shù)脂表面張力的影響，采用EZ-Pi Plus動(dòng)態(tài)表面張力儀進(jìn)行測(cè)試。

動(dòng)態(tài)接觸角。樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性采用動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)試研究。

Matlab軟件。計(jì)算碳纖維表面溝槽的特征。

3.2技術(shù)路線

本研究所采用的技術(shù)路線圖如圖2。

4浸潤(rùn)性研究預(yù)期解決的問(wèn)題

揭示碳纖維表面物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的溝槽和上漿量調(diào)控影響規(guī)律是本研究擬解決的第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。上漿劑一直是國(guó)產(chǎn)碳纖維制備過(guò)程中的軟肋，但上漿劑對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合至關(guān)重要;干濕法紡絲和濕法紡絲工藝制備的碳纖維表面結(jié)構(gòu)有別，濕法紡絲不同凝固條件影響纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)，因此，本研究將上漿劑用量和碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)調(diào)控研究的作為第一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

E51環(huán)氧樹(shù)脂的可控調(diào)配是本研究擬解決的第二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)研究樹(shù)脂調(diào)配其特性變化規(guī)律，掌握樹(shù)脂的調(diào)配方法，為樹(shù)脂浸潤(rùn)碳纖維做好基礎(chǔ)。

建立碳纖維表面理化結(jié)構(gòu)與樹(shù)脂特性之間的匹配關(guān)系是本研究擬解決的第三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。碳纖維復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于碳纖維和復(fù)合材料的界面結(jié)合，界面中碳纖維、上漿劑和樹(shù)脂是重要的三元素。樹(shù)脂和碳纖維（上漿劑）的匹配性直接影響其界面結(jié)合。因此，以接觸角為參考值，研究碳纖維表面理化結(jié)構(gòu)與樹(shù)脂浸潤(rùn)性的匹配關(guān)系是本研究想解決的第三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂的浸潤(rùn)性研究以節(jié)能降耗、綠色環(huán)保，交通運(yùn)輸輕量化為大背景，開(kāi)展碳纖維表面理化結(jié)構(gòu)與其樹(shù)脂浸潤(rùn)性的影響關(guān)系研究，借助Matlab解析碳纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)其樹(shù)脂浸潤(rùn)性的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)樹(shù)脂的理化性質(zhì)，掌握其調(diào)控的方法，最終建立碳纖維和樹(shù)脂匹配性的最佳工藝條件，為高鐵/汽車(chē)用T700級(jí)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐?？偠灾?，這是一項(xiàng)非常有前景的研究項(xiàng)目。