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包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。
方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。
结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。
关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。
热塑性碳纤维上浆剂的研究进展作者：杨刚孟秀青潘洋高磊来源：《现代纺织技术》2017年第05期摘要：上浆剂在碳纤维生产和应用过程中起着非常重要的作用。
通过分析热固性碳纤维上浆剂与热塑性树脂基体之间存在的相容性差、加工成型不匹配等问题，指出了研究开发热塑性碳纤维上浆剂才是解决实际应用的有效途径。
分类综述了以聚氨酯、聚酰亚胺及聚芳醚等为主体聚合物的热塑性碳纤维上浆剂的研究进展，并介绍了近年来国外碳纤维生产企业针对热塑性碳纤维上浆剂的实际应用情况，为今后相关研究提供借鉴和参考。
关键词：碳纤维；上浆剂；热塑性树脂；复合材料中图分类号：TS105.21文献标志码：A文章编号：1009-265X（2017）05-0062-04Abstract：Sizing agent is important to the process of producing and applying carbon fiber. In this paper， the problems of low compatibility and unmatched processing between thermosetting carbon fiber sizing agent and thermoplastic resin matrix were analyzed， and it was proposed to develop and research thermoplastic carbon fiber sizing agent for practical application. Introduction was made to the research progress of thermoplastic carbon fiber sizing agents respectively containing polyurethane， polyimide and poly aryl ether as main polymer was introduced， as well as to the practical application of thermoplastic sizing agent in China and other countries in recent years，which provides reference for further study in future.Key words：carbon fiber； sizing agent； thermoplastic resin； composites为了制备高质量高性能的碳纤维，除了改进原丝品质和提高生产工艺水平之外，上浆作为最后一道必不可少的工序也起了非常重要的作用。
碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。
简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。
随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。
其最高强度已达7000MPa ，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向，强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。
因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。
[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。
单纤维直径为5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。
由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。
高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。
碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。
碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层取向和石墨化程度有密切的关系。
碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。
在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。
2021年第3期复合材料科学与工程117 DO1：1O.19936/ki.2096-8000.20210328.019碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的研究进展武博S杨常玲“,张琳萍“,吕永根2(1.东华大学化学化工与生物工程学院，上海201620； 2.东华大学材料科学与工程学院，上海201620)摘要：碳纤维增强聚苯硫醚树脂复合材料因其良好的机械性能、阻燃性、耐化学腐蚀性，在电子信息、航天航空等领域的应用越发广泛。
界面是影响复合材料性能的关键因素，为进一步提高复合材料性能以适应不同的构件和使用环境，碳纤维与聚苯硫醚的界面性能越来越受到重视。
本文从成型工艺、碳纤维上浆剂和树脂改性三个方面总结了碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的影响因素和研究进展。
关键词：碳纤维；聚苯硫醚；表面处理；界面性能；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)03-0117-061引言聚苯硫醚(PPS)是一种半结晶型热塑性聚合物,具有优异的热稳定性、耐化学腐蚀性、阻燃性和力学性能［1,2］，作为纤维和工程塑料可用于航空航天、电子等领域。
特别是以碳纤维(CF)增强的复合材料，作为飞机的结构件和阻燃及耐高温部位显示出独特的优势。
为了进一步提高复合材料性能以适用于不同的工作环境及材料构件,CF增强PPS复合材料界面性能的提高越来越受到重视。
由于PPS 的加工温度高，且在加工过程中涉及交联、结晶等行为,对加工工艺和界面的构筑提出了更高的要求，主要通过对CF进行表面处理、上浆、树脂改性及复合材料后热处理等手段进一步提高界面性能和复合材料整体性能。
层剪强度或界面强度为30MPa-60 MPa,个别文献报道可达90MPa,但如何选用环保而便捷的上浆剂等问题仍然需要进一步研究。
2成型工艺对复合材料及界面性能的影响PPS的熔融温度高、粘度大，因此成型温度需要达到300C以上，成型压力在1.0MPa以上。
碳纤维及其复合材料研究进展（江苏理工学院材料工程学院12110116 于小健）摘要：本文在对碳纤维介绍的基础上，简单阐述了碳纤维的结构、特性及分类，并着重介绍了碳纤维复合材料的性质、分类、应用及成型方法，包括手糊成型，树脂传递模塑，喷射成型，注射成型，纤维缠绕成型及拉挤成型工艺。
关键词：碳纤维；复合材料；分类；成型Research progress of carbon fiber composite material Abstract: Based on the introduction of carbon fiber, briefly discusses the structure, characteristics and classification of carbon fiber, and emphatically introduces the properties of carbon fiber composite materials, classification, application and molding method, including hand lay-up molding, resin transfer molding, injection molding, Forming and pultrusion fiber windingKeywords: carbon fiber; composite material; classification; molding0.序言碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。
碳纤维复合材料的制备和性能研究复合材料作为一种新型材料，由于其具有结构轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，在航空、航天、汽车、船舶等众多领域得到广泛应用。
碳纤维复合材料是其中一种材料，由于其高强度、低密度、高刚度和优良的热稳定性等特点，已经广泛应用于各种高端产品，如飞机、汽车、大型模具、船舶制造等领域。
本文主要介绍碳纤维复合材料的制备和性能研究方面的进展和成果，对于进一步研究这种材料的应用前景和发展具有参考价值。
一、碳纤维复合材料的制备碳纤维复合材料的制备是一个复杂的过程，需要对材料的性质进行深入的了解，并结合实际生产情况进行设计和试验。
一般来说，碳纤维复合材料的制备分为以下几个步骤：1、预制备碳纤维碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键组成部分，其质量对复合材料的性能起到至关重要的作用。
碳纤维的质量受到多种因素的影响，如选择的原料、生产工艺、热处理方式等。
通常采用纤维束成型、碳化及氧化等工艺制备碳纤维，确保碳纤维的品质。
2、浸渍树脂将预制的碳纤维放入树脂中，使其充分浸泡。
树脂中的成分可以根据需要调整，以达到预期的力学性能。
3、热固化热固化是碳纤维复合材料制备的关键步骤之一。
材料通过温度和时间的控制，让树脂变成固体，并在碳纤维表面形成一层牢固的化学键连接。
通过这一步工艺，可以提高碳纤维复合材料的强度和刚度。
4、精加工精加工是制备碳纤维复合材料的最后步骤。
通过对材料进行切割、抛光、打磨、胶接等方式，可以获得一定形状、尺寸和光泽度的制品。
精加工过程中需要注意不要损伤材料的表面和内部结构，保证材料性能的完好。
以上是碳纤维复合材料制备的主要步骤，整个制备过程需要物理学、化学、材料学等多学科的知识和技术的支持，且需要结合多种因素综合评估生产效果。
二、碳纤维复合材料的性能研究碳纤维复合材料具有优良的力学性能、热性能和热膨胀性等特点，但其性能亦受制备过程中的各种因素影响。
为了更好地应用这种材料，需要对其性能进行全面研究和分析。
碳纤维上浆剂的开发和研究进展马刚峰;徐泽夕;常青;王新欣;刘书铖【摘要】In the process of carbon fiber production ,sizing is an important technology and sizing agent has a great influence on the properties of carbon fiber . Firstly , this thesis introduces the types and synthesis method of sizing agent and sizing technology ,and then it mainly introduces the effect of sizing agent on the carbon fiber surface and composites .The results indicate that carbon fiber surface forms a smooth ,continuous and even film after sizing so that the wear resistance and wool-silk quantity are improved ;Sizing carbon fiber and matrix resin are not easy to peeloff ,which will enhance the shear strength between carbon fiber layers .% 在碳纤维生产过程中，上浆是一道重要的工序，上浆剂在碳纤维的性能方面扮演着重要的角色。
首先介绍了碳纤维上浆剂的类型、合成方法及上浆工艺，然后重点阐述了上浆剂对碳纤维表面及复合材料的影响。
已有研究结果表明：上浆后碳纤维表面形成一层光滑、连续、平整的薄膜，使其耐磨性、毛丝量都有所改善；上浆碳纤维与基体树脂不易剥离，增强了碳纤维层间剪切的强度。
石墨烯强韧化碳纤维复合材料关键技术研究中取得进展碳纤维复合材料因轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列特性，在航空航天、汽车、船舶、能源、建筑等领域的应用与日俱增。
然而，由于碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，导致碳纤维与基体树脂之间的界面粘结强度低，界面存在较多缺陷，往往成为复合材料的薄弱环节。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属先进制造所复合材料智能制造与装备团队在石墨烯强韧化碳纤维复合材料关键技术方面取得了新进展。
在前期研究工作中发现，石墨烯纳米粒子接枝到碳纤维表面可以有效提高碳纤维复合材料的界面性能（ACS Applied Materials & Interfaces, 2012,4, 1543）。
为了实现石墨烯改性碳纤维的规模化路线，采用石墨烯改性上浆剂对碳纤维表面进行改性，以提高碳纤维复合材料的界面性能。
研究人员通过对石墨烯表面改性，制备出在水溶液和上浆剂中均能稳定分散的石墨烯，通过对石墨烯尺寸的分级调控，制备出了表面改性的石墨烯（如图1），可以稳定分散于不同的上浆剂体系中，成功实现了石墨烯在上浆剂中的稳定分散技术。
通过相反转法和自乳化法成功研发出两种具有良好稳定性的石墨烯改性上浆剂（如图2），并且有效提升了碳纤维的复合材料的界面粘结性能，其界面剪切强度（IFSS）可达92.3 MPa（如图3），而且碳纤维的上浆率低于1.5%，饱和吸水率低于2%。
采用石墨烯强韧化碳纤维，优化加工成型工艺条件，得到综合性能优异的石墨烯强韧化碳纤维复合材料，复合材料层间剪切强度可达73.5 MPa；I型层间断裂韧性提高幅度为33.3%。
该研发成果已申请发明专利（CN 201610296461.7）。
以上工作得到了宁波市石墨烯重大科技专项（2014S10004）的大力支持。
上浆剂使用浓度对碳纤维性能的影响研究张如良;黄玉东;刘丽;刘青松【摘要】The effects of different kinds of concentration of sizing agent on the performances of carbon fibre and interface of its composites were studied by atomic force microscopy （AFM）, and the surface energy along with contact angles was determined by dynamic contact angle analysis test （DCAT） with three different polar liquid. The interracial shear strengths and hygrothermal ageing of carbon fibres micro-composites was also studied. It was found that the grooves on the 2% sized carbon fiber were disappeared. A significant change in the surface energy of these materials was displayed with the decreased yd and increased TP. The results indicate that the concentration has great effect on the micro-composites interface and ageing properties. The 1.5% sized carbon fibre shows better interracial adhesion and ageing property than others.%为了改善碳纤维表观性能及其复合材料界面性能，不同浓度的上浆剂用于碳纤维表面上浆．采用原子力显微镜（AFM）、动态接触角测试仪（DCAT）和微复合材料界面结合强度（IFSS）等研究了上浆剂浓度对碳纤维的表面形貌，表面能及对微复合材料界面性能和耐湿热老化性能的影响．实验结果表明：上浆剂的使用浓度对碳纤维表观性能影响较大．AFM证实使用浓度2％时，碳纤维表面沟槽消失．上浆剂的使用浓度对碳纤维的表面能的影响表现在其色散分量的减小和极性分量的增加，对制备的微复合材料的界面性能和耐湿热老化性能有较大的影响．1．5％使用浓度的上浆剂有助于改善碳纤维表观性能及与树脂基体的界面结合强度和耐湿热老化性能．【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2011(043)011【总页数】5页(P75-79)【关键词】碳纤维;复合材料;界面;力学性能;湿热老化【作者】张如良;黄玉东;刘丽;刘青松【作者单位】哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001;山东科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266590;哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP332碳纤维具有模量高、强度大、比重小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀等一系列优异性能[1－2]，但是碳纤维是一种脆性材料，在生产及加工过程中，经机械摩擦容易产生毛丝及单丝断裂等现象，使碳纤维的强度降低[3－4]，进而影响复合材料的力学性能[5].上浆剂可以在碳纤维上形成保护膜，保护经表面处理后具有表面活性的碳纤维，避免空气中水分及灰尘的吸附，减少加工过程中产生的摩擦、磨损，并且防止产生毛丝[6－10];上浆剂可以提高纤维的浸润性及纤维与树脂的结合能力，使材料界面性能得到相应的提高[11－12];将碳纤维聚集成束，使其便于加工[13－14].作为复合材料界面的过渡层，使载荷有效地通过界面传递到纤维上，抑制了界面处断裂的引发和传播，使纤维与基体树脂紧密黏结，从而实现界面的改性和可控[15]. 本文从碳纤维的集束性、光滑度、柔软性、柔韧性、纤维间丝条整体松散程度、开纤性、单根纤维间的交联程度等研究了上浆剂的浓度对碳纤维表观状态的影响，采用AFM等研究了上浆后碳纤维表面形貌，最后通过碳纤维的表面能改变及制备的微复合材料研究了上浆剂的浓度对界面性能和耐湿热老化性能的影响.1 实验1.1 原材料国产纤维，3 K，密度为1.78 g/cm3，线密度为0.199～0.202 g/m，吉林石化公司碳纤维厂.环氧树脂E-51，环氧值0.51，蓝星新材料无锡树脂厂.固化剂，H-256，江苏江阴惠峰合成材料有限公司.上浆剂的生产工艺和上浆工艺见专利[16].其中HIT-1质量分数为1%，上浆后碳纤维记为T-1，HIT-2质量分数为1.5%，上浆后碳纤维记为T-2，HIT-3质量分数为2%，上浆后碳纤维记为T-3.1.2 测试表征1.2.1 含胶量的测试碳纤维表面的含胶量的测试见文献[17].1.2.2 碳纤维表观状态的评价目前，对碳纤维表面状态即表面亮度、光滑度、集束性、交联性、柔顺性、柔韧性、开纤性等的评价见文献[17].1.2.3 原子力显微镜分析(AFM)将碳纤维单丝用双面胶固定在试样台上，采用俄罗斯NT-MDT公司生产的Solver P47型原子力显微镜(AFM)进行碳纤维表面形貌的观测.1.2.4 碳纤维表面能的测试采用DCAT-21表面/界面张力仪测试碳纤维与水、乙二醇、二碘甲烷等液体之间的接触角.仪器的检测限为0.08 mg，碳纤维插入深度为5 mm，表面检测速度为0.1 mm·s－1，前进浸润速度为0.008 mm·s－1，后退浸润速度为0.008 mm·s－1.3种液体的表面张力、色散分量以及极性分量见文献[18].通过测出的接触角，采用SCAT软件中的OWRK公式计算出碳纤维的表面能及其极性分量和色散分量.1.2.5 碳纤维微复合材料界面结合强度测试环氧树脂∶固化剂=100K∶32;固化工艺条件是100 ℃，1.5 h;120 ℃，2 h;150 ℃，3 h，后冷却直室温.界面剪切强度(IFSS)是采用日本东荣株式会社FA620复合材料界面性能评价装置，通过测量约30个数值求平均值得到的.界面剪切强度进行计算为式中:IFSS为界面剪切强度，MPa;F为树脂球与CF之间的最大脱粘力，N;d为CF 单丝直径，m;l为树脂球包埋长度，m.1.2.6 耐湿热老化实验将制备的微复合材料浸入100℃水中保持48 h，再测试其IFSS值.2 结果与分析2.1 碳纤维表观状态的研究不同浓度的上浆，将会给碳纤维的涂层厚度和上浆量有一定的影响，首先采用了抽提法研究了碳纤维表面的上浆量，实验结果如表1所示.从表1中的数据可以看到，碳纤维的上浆量与采用的上浆剂的浓度是相对应的，采用较低浓度的上浆剂上浆后，碳纤维T-1表面的上浆量在0.71%，而T-2表面的上浆量在1.32%，T-3表面的上浆量在1.67%.表1 碳纤维用不同浓度的上浆剂后的上浆量碳纤维上浆量/%T-1 0.71 T-2 1.32T-3 1.67研究了不同浓度下的碳纤维表面状态的影响，结果如表2所示.T-1～T-3上浆剂上浆后碳纤维表面的亮度基本一致，说明了上浆浓度对表面亮度影响较小.碳纤维T-2具有较好的集束性，而T-1集束性性能较差，主要是由于上浆剂浓度较小，在碳纤维表面的涂层较薄，因此，对碳纤维的集束能力有限.而碳纤维T-3的集束性能一般，主要是由于在碳纤维表面形成的涂层较厚，使其能够黏结，因此导致了松散程度的降低.碳纤维T-2具有较好的交联性，而T-1、T-3集束性性能较差.碳纤维T-1交联性较差，主要是由于上浆剂使用浓度较小，在碳纤维表面的形成较薄的涂层对碳纤维的集束能力有限，在碳纤维单丝之间产生作用力有限.而碳纤维T-3由于上浆量较大，在碳纤维涂层较厚，导致了纤维之间交联度过大.结果表明碳纤维用上浆剂的质量分数为1.5%的时候可以在纤维间产生优异的交联作用.较好的柔软性，在纺织工艺中，可以减少碳纤维的表面损伤，保证碳纤维具有较好的外观和性能，碳纤维T-3较硬，主要是由于纤维上浆量较大，在碳纤维表面形成的涂层较厚，导致了碳纤维的柔软性降低.上浆剂浓度较小时，在碳纤维表面的涂层较薄，一方面对碳纤维的集束能力有限，另外对碳纤维单丝之间产生作用力有限，导致了碳纤维T-1较为柔软.碳纤维柔韧性是指碳纤维丝条弯曲后恢复原状的能力，只有当碳纤维具有较好的柔韧性的时候，才能保证碳纤维在上轴工艺过程中不受损，保证碳纤维的织布工艺顺利进行.因此研究上浆剂浓度对碳纤维的柔韧性的影响具有重要的意义.T-3和T-2采用不同浓度的上浆剂处理后，碳纤维的柔韧性基本一致.碳纤维T-2具有较好的开纤性，而T-1开纤性一般，主要是由于上浆剂浓度较小，在碳纤维表面的涂层较薄，因此，对碳纤维的集束能力有限，在溶剂中开纤性一般.而T-3上浆剂的上浆后碳纤维的开纤性较差，主要是由于在碳纤维表面形成的涂层较厚，使其能够黏结，导致了松散程度的降低，因此，在溶剂中开纤性受到了一定的影响.表2 上浆剂的浓度对碳纤维表观状态的影响碳纤维类型评价项目T-1 T-2 T-3表面亮度A A A光滑性 C A B集束性 C A B交联性 B A C柔软性 B A C柔韧性 C A A开纤性B A C研究结果表明:太高的上浆剂使用浓度，在碳纤维表面形成易较厚的涂层，影响了碳纤维的开纤性能，因此与树脂复合时，将对基体树脂润湿碳纤维产生较大的影响，导致在制备的复合材料中容易产生孔隙，使其界面性能降低;太低则会影响了其集束性，影响碳纤维的后续加工中的编织，树脂成型复合材料过程中耐磨性、工艺性等变差，对纤维强度的发挥和制品的质量产生影响.适宜的上浆剂浓度在后续的加工中不仅可保护碳纤维表面，减少毛丝及单丝断裂现象，而且具有保证纤维具有较好的集束和开纤性，使其与树脂基体具有较好的结合，从而改善了复合材料的界面黏结.2.2 AFM表征AFM是一种实验室常用的研究方法，在本研究中，不同浓度的上浆剂处理碳纤维后，将会在碳纤维表面产生不同的表观状态.上浆后的碳纤维AFM测试结果如图1所示.T-300型碳纤维由于其生产工艺在表面具有一定的沟槽.因此，采用AFM可以较为清晰的看到上浆后的碳纤维表面形貌.从图1中研究发现，T-2、T-1可以清晰的看到碳纤维表面的沟槽，碳纤维T-3表面看不到任何的沟槽，纤维如同T-700，很圆滑.沟槽减少不利于纤维与树脂的结合，会减少纤维与树脂的机械结合.因此，上浆剂浓度较小时，碳纤维表面不能完全被涂层包覆，使得上浆剂与树脂的化学结合较差，并会降低了纤维的表面能，影响树脂对纤维的浸润性能.从AFM的研究结果来看，上浆剂的浓度对碳纤维表面形貌影响较大，这也前面对碳纤维的表观专题影响是一致的.图1 不同浓度的上浆剂上浆后的AFM谱图2.3 上浆剂使用浓度对碳纤维表面能的影响研究了上浆剂的浓度对上浆后碳纤维的表面能的影响，结果如表3所示.碳纤维的表面能T-2最大，而T-3表面能最小.高浓度的上浆剂使用，则会在碳纤维表面形成较厚的表面层，因此其极性分量最大，而色散分量变小.从实验结果分析，高浓度的上浆剂使用后，其极性分量增加量高于色散分量的降低量.而较低的浓度上浆剂使用后，其极性分量较小，而色散分量较大.碳纤维T-2由于适宜的涂层厚度，因此，在碳纤维表面的色散分量得以保持，极性分量得以增加.表3 上浆剂的浓度对碳纤维的表面能影响(mJ·m－2)试样表面能色散分量极性分量T-1 47.97 31.41 16.55 T-2 48.77 25.67 23.10 T-3 46.44 20.50 25.93 2.4 上浆剂使用浓度对微复合材料界面性能的影响纤维与基体的界面层对复合材料的力学性能起到重要作用.良好的界面结合增加了复合材料结构的完整性，然而纤维与基体在性质上存在着很大的差异，若能在纤维与树脂之间形成良好的界面黏结，则可以将载荷有效地传递给纤维，从而达到使增强树脂也能承受载荷的目的[19－20].由于碳纤维为圆截面，比表面积小，边缘活性碳原子少，表面能低，表面与树脂的接触角大，摩擦系数小，表面呈现出憎液性，与基体树脂的润湿性差.为了克服这些缺陷，可在碳纤维与基体树脂之间引入聚合物过渡中间层，即进行上胶处理，使其表面的极性提高，与基体树脂的润湿性得以改善.但实际上，上浆剂的存在并不一定都能改善复合材料的界面黏结性.因此，本文研究了上浆剂的浓度对碳纤维微复合材料性能的影响，实验结果如图2所示.其中T-2制备的碳纤维微复合材料界面结合性能最高，为80.9 MPa，而高浓度的上浆剂上浆后的T-3的微复合材料界面结合强度为73.85 MPa.较低浓度的上浆剂上浆后的T-1微复合材料界面结合强度为76.17 MPa.上浆剂浓度较小，在碳纤维表面形成的涂层较薄，纤维表面大量的的沟槽得以保留，纤维与树脂的机械结合相应得到了增加，因此，采用T-1制备的微复合材料的界面结合强度较大.而T-3的纤维表面沟槽变少变浅，减少了纤维与树脂的机械结合，因此降低材料的界面性能.图2 上浆剂的浓度对碳纤维微复合材料界面结合性能的影响2.5 上浆剂使用浓度对微复合材料耐湿热老化性的影响尽管碳纤维复合材料具有优良的耐老化性能，但它在一定的温度、湿度、紫外光等条件下也会发生老化使其力学性能降低，其中湿热老化是树脂基复合材料的主要老化失效形式.湿热环境容易导致的碳纤维/环氧复合材料内部吸湿将会引起复合材料自身微结构变化，造成碳纤维与环氧树脂间的脱黏，从而使复合材料的承载能力大幅降低.因此，研究碳纤维复合材料的耐湿热老化性能，具有重要的作用.本文研究了不同浓度的上浆剂对碳纤维的耐湿热老化性能的影响，实验结果如图3所示.图3 上浆剂的浓度对碳纤维微复合材料耐湿热老化性的影响从图3中可以看出，上浆剂的浓度对微复合材料界面结合强度略有影响，其中T-3湿热老化后，性能下降最明显，其次是T-1，T-2.湿热老化使碳纤维复合材料的IFSS有一定程度的降低，由于在湿热环境下，水分子对基体－纤维界面的破坏，导致了基体－纤维界面结合力下降，从而降低了微复合材料的界面结合强度的降低.上浆处理后，碳纤维T-2表面的沟槽得以保留，因此纤维与树脂的有一定的机械结合，同时，碳纤维表面的上浆剂和树脂及碳纤维之间又有一定的化学结合，使之制备的微复合材料耐湿热老化性能较好.3 结论1)从对碳纤维的集束性、光滑度、柔软性、柔韧性、纤维间丝条整体松散程度、开纤性、单根纤维间的交联程度等研究了上浆剂使用浓度对碳纤维表观状态的影响，上浆剂T-2上浆后碳纤维的表观状态最佳，织布工艺和织物质量最佳.2)采用AFM研究了上浆后碳纤维表面形貌，碳纤维T-2表面的沟槽均匀分布，T-3表面较为光滑，沟槽基本消失.3)碳纤维T-2的表面能最大，碳纤维T-3的表面能最小.高浓度的上浆剂在碳纤维表面形成较厚的涂层，使其极性分量增减，而色散分量变小.4)上浆剂使用浓度对碳纤维微复合材料的界面结合性和耐湿热老化性有较大的影响，其中碳纤维T-2微复合材料的界面结合强度和耐湿热老化最好.参考文献:[1]OGAWA H，SHIMA M.Emulsion Type Sizing Agent for Carbon Fibres Prosess and its Preparation，and Method for Using Same:US Patent，US4420512[P].1983.[2]黄美荣，王琳.中介相沥青及其碳纤维的应用[J].合成纤维工业，1998，21(3):30－32.[3]贺福，赵建国，王润娥，等.碳纤维开发与碳纤维原丝质量[J].新型碳材料，1998，13(1):64－74.[4]王茂章，贺福.碳纤维的制造、性质及应用[M].北京:科学出版社，1984.[5]MINAMI H.Sizing Agents for Carbon Yarns:US Patent，US4751258[P].1988.[6]SPAIN R G，CALIF H B.Epoxy Resin Emulsion Finishes for Carbon 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聚醚醚酮水性上浆剂对碳纤维热塑性复合材料界面性能的影响周存;田智勇【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2022(41)3【摘要】为了提高碳纤维(CFs)热塑性树脂基复合材料的界面性能,采用以相反转乳化法制备的聚醚醚酮(PEEK)水性上浆剂对CFs进行上浆处理,然后通过手糊热压的方式制备CFs/PEEK树脂热塑性复合材料,研究上浆剂乳液浓度与上浆剂的附着量对CFs及其热塑性复合材料界面性能的影响。
结果表明:当PEEK上浆剂在水乳液中质量分数为2%时,乳液的表面张力具有最小值29.2 mN/m,PEEK上浆剂乳液具有最佳的表面润湿与铺展性能,PEEK上浆剂的最佳附着量为6 mg/g;采用此上浆工艺条件上浆后的CFs表面氧元素质量分数增加到19.51%,CFs复丝断裂强度较原厂上浆CFs提高了23.7%,制备的CFs/PEEK复合材料拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度比未上浆改性的分别提高了58.37%、37.01%和47.53%。
与基体树脂同质的PEEK复合型水性上浆剂能明显改善CFs/PEEK复合材料的界面黏结性能,显著提高CFs/PEEK的整体力学性能。
【总页数】8页(P20-27)【作者】周存;田智勇【作者单位】天津工业大学纺织科学与工程学院;天津工业大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TB332;TQ327.3【相关文献】1.碳纤维热塑性树脂上浆剂及其对复合材料界面的影响2.上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响3.上浆剂对国产碳纤维复合材料界面性能的影响4.环氧改性水性聚氨酯上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响5.碳纤维上浆剂及其对复合材料界面性能的影响研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
碳纤维复合材料调研报告碳纤维复合材料是一种重要的新型材料，具有高机械性能、低密度和良好的耐腐蚀性能等优点。
该材料已广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。
本文主要对碳纤维复合材料的制备、性能表现和应用领域进行了探讨，并对其未来的发展趋势进行了分析。
碳纤维复合材料的制备技术主要包括手工层压、自动化层压、注塑成型、纺织法、树脂浸渍法等多种工艺。
手工层压是一种传统的制备方法，其优点是成本低、成型灵活性好，但是其制备效率和一致性较低。
自动化层压是一种高效的制备方法，但其成本较高。
注塑成型技术可以制备复杂的形状和结构，但是成本也较高。
纺织法是一种比较常见的制备方法，用该方法制备的碳纤维组织结构均匀且稳定，但是其成型灵活性不如手工层压。
树脂浸渍法是制备复合材料的常见方法之一，其生产周期短，但需要控制好树脂浸渍的时间、温度、压力等参数，以保证制品质量。
二、碳纤维复合材料的性能表现碳纤维复合材料具有高机械性能、低密度和良好的耐腐蚀性能等优点。
为了更好地了解碳纤维复合材料的性能表现，本节将从其力学性能、导热性能和密度等方面进行分析。
1.力学性能碳纤维复合材料在强度和刚度方面表现出色，常用的强度指标有抗拉强度、抗压强度、弯曲强度等。
由于其性能表现优异，碳纤维复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。
2.导热性能碳纤维复合材料的导热性能比较优良，其热导率和热膨胀系数与钢铁相当。
由于其导热性能稳定，碳纤维复合材料被广泛应用于高温环境下的工作场合。
3.密度碳纤维复合材料的密度远低于普通的金属材料，例如钢铁等，其密度约为钢铁的1/5。
由于其密度远低于普通金属材料，碳纤维复合材料具有重量轻、热膨胀系数低等特点，因此被广泛应用于高速运动领域。
1.航空航天领域碳纤维复合材料在航空航天领域的应用较为广泛，例如制作机翼、负载桁架、座椅结构等。
由于其性能表现优秀，因此能够极大地缩减飞机的自重，从而降低油耗和环境污染。
2.汽车领域碳纤维复合材料在汽车领域的应用也较为广泛，例如制作轮毂、车身和悬挂系统等。
缝合复合材料以其优良的层间断裂韧性、冲击损伤容限和较低的制作成本而在航空和工业领域内得到越来越多的应用，缝合技术的发展有利于复合材料成型的自动化[1-2].缝合工艺参数主要包括：缝合线原料种类、缝合密度、缝合方向等[3-5]，其中缝合线的参数是一个重要因素.考虑到复合材料的整体性能，缝合线的选择具有一定要求[6]：淤与树脂良好的兼容性，并且不会与树脂发生反应；于与所缝合的预制件或预浸料的纤维种类尽量相同，保持整体材料的性能一致；盂良好的强度、韧性和耐磨损性.碳纤维具有较高的强度和模量，在复合材料领域得到广泛应用[7-10]，为了确保材料的整体性，碳纤维复合材料的缝线也常选择碳纤维.但是碳纤维在缝合过程中反复受到缝针和预制件的作用，产生拉伸、弯曲、扭转等变形，并且随着缝线与预制体之间、缝线与缝针之间摩擦次数的增多，缝合线表面纤维断裂，不仅影响了缝合工艺的顺利进行，也使得缝合复合材料的力学性能下降，因此需要对碳纤维缝线进行改进，提高缝线的力学性能.目前关于复合材料用缝线的文献还比较少.对碳纤维缝线进行改进的方法有加捻、二维管状编织结构上浆浓度对碳纤维缝线拉伸和耐磨性能的影响李嘉禄1，2，申宏旋1，2，毛丽贺1，2（1.天津工业大学纺织学院，天津300387；2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387）摘要：为改善碳纤维缝线在缝合过程中起毛、断丝的情况，通过上浆对碳纤维缝线进行表面改性，提高其拉伸和耐磨性能.通过测试不同浆液浓度的碳纤维缝线的拉伸强度、钩拉强度和耐磨性，观察经耐磨测试后碳纤维的表面毛丝量，分析浆液浓度与缝线拉伸强度以及耐磨性能之间的关系.结果表明：上浆能够明显改善碳纤维缝线的拉伸性能和耐磨性能.上浆碳纤维的拉伸强度比未上浆的增加了47.7%，模拟钩拉强度比未上浆的增加了29.3%.浆液质量分数为3%、上浆率为0.32%时碳纤维的力学性能和耐磨性能最好，作为缝线用性能最佳.关键词：上浆；碳纤维；缝线；拉伸性能；耐磨性能中图分类号：TS102.43；TS105.213；TS101.931.4文献标志码：A 文章编号：1671-024X （2017）05-0027-05Effects of sizing concentration on tensile strength and wear resistance of carbon fiber suture lineLI Jia-lu 1，2，SHEN Hong-xuan 1，2，MAO Li-he 1，2（1.School of Textiles ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ；2.Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：In order to improve the progress of easy to fluff and broken of carbon fiber suture in the suture process袁surfacemodification of carbon fiber suture was used by sizing to improve the tensile strength and wear resistance.The tensile strength袁flexural strength and wear resistance of carbon fiber suture with different concentration were measured.The surface hairiness of carbon fiber after abrasion test was observed袁then the relationship between the concentration of slurry and the tensile strength and wear resistance were analyzed.The results show that the mechanical properties and wear resistance of the carbon fiber suture can be enhanced by the sizing.The tensilestrength of the sizing carbon fiber was increased by 47.7%compared with that of the non-sizing袁the flexural strength was increased by about 29.3%compared with that of the untreated.When the size concentration was 3%and the sizing rate was 0.32%袁the mechanical properties and wear resistance of the carbon fiber were the best袁then the carbon fiber had the best performance for suture.Key words ：sizing ；carbon fiber ；suture line ；tensile strength ；wear resistance收稿日期：2017-05-18基金项目：国家自然科学基金面上项目（51372169）通信作者：李嘉禄（1947—），教授.主要研究方向为先进纺织复合材料.E-maii ：****************.cn 天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕允陨晕孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦哉晕陨灾耘砸杂陨栽再第36卷第5期圆园17年10月Vol.36No.5October 2017DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2017.05.006. All Rights Reserved.第36卷天津工业大学学报以及包芯纱等.刘千等[11]对不同捻度缝线的浸润效果进行了研究，结果表明：随着缝合线捻度的增加，树脂浸润缝合线的效果变差，缝合纤维丝束与树脂结合情况变差.王东宁等[12]针对碳纤维丝束和捻线在纺织预制件或预浸料的缝合过程中易发生起毛、断丝的情况，设计了二维管状编织结构的碳纤维缝合线，并与纤维束型、捻线型缝合线作比较，结果表明：二维管状编织结构碳纤维缝线的耐磨损性比丝束和捻线有大幅提高.王荣荣等[13]研究出了高性能包芯纱，以高性能纤维为芯纱，热融纤维为包缠纱，通过二维编织工艺加工而成.外层编织纱对高性能芯纱起到保护作用，使得织造性能得到改善.加捻虽然能够提高纱线的性能，但加捻过程中纤维受到一定的损伤并且会导致浸润性变差；二维管状编织结构和包芯纱结构工艺较为复杂，成本较高，都不是改进缝线的最佳方法，本文考虑对缝线进行上浆处理.合适的上浆剂能够在纤维表面形成一层薄膜，对纤维起到保护作用，减少了缝合过程中由于摩擦引起的纤维断裂，可提高碳纤维的拉伸性能和耐磨性能.本文采用耐磨性较好的聚氨酯浆料作为上浆剂，并添加一定量的有机硅整理剂来改善碳纤维的柔软性.通过不同浓度浆料的配比，得出适合缝合线的最佳上浆工艺，提高碳纤维缝线的拉伸性能和耐磨性能.1实验部分1.1实验材料与仪器材料：MT300C-3K型聚丙烯腈基碳纤维，河南永煤碳纤维有限公司产品；PU-202A型水性聚氨酯树脂，冠志新材料有限公司产品；ZJ-G10型亲水性有机硅整理剂，广州庄杰化工产品；蒸馏水，市售.仪器：GA392型单纱浆纱机，江阴市通源纺机有限公司产品；FA22048型电子天平，上海精科天美科学仪器有限公司产品；AGS-J1KN型拉伸试验机，日本岛津公司产品；S-4800型场发射扫描电镜，日本日立公司产品；2000-C型光学显微镜，德国ZEISS产品；纱线耐磨仪，天津工业大学复合材料研究所自制. 1.2上浆方法以聚氨酯为上浆剂主浆料，有机硅整理剂为助剂来配制上浆剂.其中主浆料的质量分数控制在95%，助剂的质量分数控制在5%.在浆料的配制过程中，浆液的浓度根据聚氨酯浆料的含量进行调整.配制好的水性聚氨酯上浆剂，采用单纱上浆机进行上浆.上浆速率为5m/min，碳纤维丝束张力适中，烘燥温度为100益，上浆率控制在1%以下.1.3性能测试（1）上浆率.碳纤维上浆后纤维表面主浆料的质量与上浆前的纤维重量的比值，即为碳纤维的上浆率.（2）缝合线拉伸强度的测试.根据GB/T19975-2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》标准，采用AGS-J1KN岛津材料试验机进行束纤维拉伸强度测试，试验加载速度设定为2mm/min.每个样品测量10次.（3）模拟缝合线钩拉强度的测试.同样按照上述标准测试，将纱线对折，纱线两个头端并在一起，用502胶水以及硬纸片将纱线两端固定好，置入拉伸夹头.弯折处由钩针（为了操作方便这里将缝针变换成钩针）钩住，拉伸仪另一夹头夹住织针尾端.每组测试10个试样取均值.（4）模拟上机缝合时纱线摩擦性能的测试.为了模拟缝合线在缝合过程中既受到拉力又受到摩擦的情况，根据ZBW0404005-89《纱线耐磨试验方法往复式磨辊法》标准，在自制耐磨仪上进行纤维耐磨性能的测试.砝码为50g，偏心转轮转速为120r/min，用600目砂纸包覆，进行相对往复摩擦运动，纤维断裂时的运动次数即为耐磨次数.（5）碳纤维缝线摩擦后表面毛羽.采用自制简易耐磨装置将国产碳纤维摩擦200次，然后利用光学显微镜观察纤维表面毛羽量.2实验结果与分析2.1上浆率表1所示为浆料浓度对上浆率的影响.从表1中可以看出，上浆率随着浆液浓度的增加而增加，当浆液的质量分数为5%时，上浆率达到0.56%.过高的上浆率在碳纤维表面易形成较厚的涂层，影响了碳纤维的开纤性能，因此与树脂复合时，将对基体树脂润湿碳纤维产生较大的影响，导致在制备的复合材料中容易产生孔隙，从而导致复合材料性能下降[14].过低的上浆率会影响纤维的集束性，导致碳纤维的后续加工过程中的耐磨性、工艺性等变差，对纤维强度的发挥和制品的质量产生影响援因此，在保证集束性和耐磨性的前提下，上浆率应尽可能低.表1浆料浓度对上浆率的影响Tab.1Effect of concentration of sizing agen on sizing rate 浆液质量分数/%12345上浆率/%0.150.200.320.410.5628——. All Rights Reserved.第5期2.2缝合线拉伸性能的测试与分析2.2.1拉伸强度缝线作为缝合复合材料的重要组成部分，在厚度方向上起到增强作用，大大提高了复合材料的层间剪切强度，若缝线的拉伸强度较大，受到剪切破坏时缝线断裂所吸收的能量也较多，因此拉伸性能是影响碳纤维缝线的重要因素.图1所示为未上浆和上浆浆液质量分数分别为1%、2%、3%、4%和5%时碳纤维缝线的直拉性能曲线，图2为经不同浆液浓度上浆的碳纤维SEM 照片.由图1可以看出，上浆可以使碳纤维的直拉性能显著提高，并且随着上浆浓度的增加拉伸强度也逐渐增加.上浆浆液质量分数在3%以下时，碳纤维缝线的拉伸强度随着上浆浓度的增加快速增加，当上浆浆液质量分数大于3%时，碳纤维缝线的拉伸强度增加缓慢，趋于平稳.这是因为随着上浆浓度的增加，碳纤维的表面缺陷被浆料弥补，使纤维表面变得平滑.由图2可以看出，拉伸时裂纹不容易发起；并且上浆使得纤维的集束性变好，整体抱合力增强，拉伸时单丝的断裂有所减少，使得纤维整体的拉伸强度增加；随着上浆浓度增加，纤维的集束性改善的愈加明显，所以缝线的拉伸强度增加较为迅速.但是当浓度增加到一定程度时，浆料在碳纤维表面已经呈饱和状态，出现浆料在纤维表面和纤维缝隙间富集的情况，富集浆料的区域成为拉伸时裂纹扩展的源头，从而增加了纤维的脆性，因此碳纤维缝线的拉伸性能增加趋于平缓.2.2.2拉伸后形貌图3所示分别为不同浓度上浆后碳纤维的拉伸形貌.从图3中可以看出：未上浆的碳纤维断裂后呈蓬松状，表面有大量断裂的纤维单丝；随着上浆浓度的增加，拉伸断裂后的纤维集束性越来越好，表面断裂的纤维单丝减少.这是因为，未上浆的碳纤维单丝强度不匀，且集束性较差，承受拉伸载荷时，强度小的单丝先断裂，强度大的纤维后断裂，呈现出如图所示的蓬松状；上浆之后纤维的集束性得到改善，纤维与纤维之间的粘结性增加，碳纤维单丝抱合在一起共同承担载荷，因此表面的单丝断裂减少.2.3模拟缝合线钩拉性能的测试与分析缝合是缝合线反复穿过材料垂直方向的过程，所以缝线在缝合的过程中不仅有拉伸的过程，还有钩拉的过程.衡量缝合线缝合力学性能的好坏除了拉伸强度外，钩拉性能也很重要.表2所示为不同浓度上浆后碳纤维缝线的钩拉强度.4.24.03.83.63.43.23.02.82.632105质量分数/%45%4%3%2%1%0%图1不同浓度上浆后碳纤维缝线的直拉强度Fig.1Straight tensile strength of carbon fiber suture aftersizing at differentconcentrations（e ）5%（a ）1%（d ）4%（c ）3%（b ）2%图2经不同浆液浓度上浆的碳纤维SEM 照片Fig.2SEM micrograph of carbon fibers sizing withdifferentconcentration of sizing agent图3不同浓度上浆后碳纤维的拉伸形貌Fig.3Tensile morphology of carbon fibers after sizing atdifferent concentrations李嘉禄，等：上浆浓度对碳纤维缝线拉伸和耐磨性能的影响29——. All Rights Reserved.第36卷天津工业大学学报（a ）0%（d ）3%（c ）2%（b ）1%由表2可以看出：随着上浆浓度的增加，碳纤维的直拉强度逐渐增大，上浆浆液质量分数为5%时，其拉伸强度比未上浆的增加了47.7%；钩拉强度呈现先增大后减小的趋势，在浆液质量分数为3%时达到最大值.这是因为碳纤维虽然直径很细，但是表面存在很多沟槽、并丝以及空洞等缺陷，上浆后浆膜将碳纤维表面的缺陷弥补，使碳纤维在弯拉时表面缺陷减少，从而使其拉伸强度增加；但上浆浓度较大时，浆膜在碳纤维表面形成一个包裹的壳体，限制了碳纤维石墨层面的分子链段的运动，所以其钩拉强度下降.结果表明：要保证碳纤维既要有较好的拉伸强度，同时也要有较高的钩拉强度，碳纤维上浆浆液质量分数不要超过3%.2.4模拟上机缝合时缝线摩擦性能缝合过程中缝线反复穿透织物，与织物之间反复摩擦，造成纤维丝束断裂，使得缝合织物表面毛糙；同时由于缝合线断裂造成多次更换缝合线而使得织物表面接头过多，影响工作效率且增加成本.良好的耐磨性能够减少缝合过程中纤维的断裂，提高缝合效率，并且使缝线的力学性能保持率较高，有利于缝合复合材料整体性能的提高.图4所示为未上浆与不同上浆浓度的碳纤维的耐磨次数.从图4中可以看出，上浆可以改善碳纤维缝线的耐磨性能，在浓度为3%时耐磨次数达到最大值，浓度再增加，碳纤维缝线的耐磨次数呈下降的趋势.在相同时间内，未上浆的碳纤维耐磨次数为240次，浆液质量分数为3%时耐磨次数为936次，是未上浆碳纤维耐磨次数的3.9倍.这是因为浆料在碳纤维表面产生了良好的包覆作用，提高了纤维的集束性；但是当碳纤维表面的沟槽及孔洞被浆料填满后，随着碳纤维表面浆料的进一步增加，多余的浆料会在碳纤维表面富集，一方面增加了碳纤维的硬度，另一方面富集的浆料中的颗粒脱落，脱落处变成新的缺陷，使纤维脆性增加，耐磨性降低.2.5碳纤维缝线摩擦后表面毛丝量缝合过程中受到往复摩擦后，表面毛丝量增多，一方面表面纤维单丝的断裂使碳纤维的拉伸强度降低，缝线对复合材料厚度方向上的增强作用减弱；另一方面表面随着表面毛丝量的增多，在往复缝合的过程中表面毛丝逐渐团聚，团聚后的毛丝附在缝合预制体的表面，树脂基体不能充分润湿碳纤维，在复合材料制备中容易产生孔隙，从而影响复合材料的力学性能.图5所示为纤维经耐磨测试后，通过显微镜观察的表面毛丝情况.表2不同浓度上浆后碳纤维缝线钩拉强度Tab.2Bending tensile strength of carbon fibers after sizingat different concentrations浆料质量分数/%拉伸强度/（cN ·dtex -1）钩拉强度/（cN ·dtex -1）钩拉强度率/%0 2.79 2.7698.601 3.22 3.0795.142 3.70 3.5094.693 4.02 3.5789.064 4.06 3.5086.0054.123.3581.25100050032105浆液质量分数/%4图4不同浓度上浆后的碳纤维耐磨次数Fig.4Number of carbon fiber wear resistance aftersizing at different concentrations图5磨测后纤维表面毛丝量Fig.5Amounts of surface hairiness of carbon fibers（e ）4%（f ）5%30——. All Rights Reserved.第5期由图5可以看出，在摩擦次数相同的情况下，上浆后的纤维表面毛丝量减少，并且随着浆液浓度的增加，毛丝量越来越少.浆液质量分数为4%和5%时，纤维表面几乎没有毛丝，但是纤维束发生了脆断.这是因为随着上浆浓度的增加，纤维表面的浆膜越来越厚，形成了较好的包覆壳体，提高了纤维的耐磨性，同时也提高了纤维的集束性；但是随着浆液浓度的增加，浆料中小颗粒富集的越来越多，在碳纤维表面形成新的缺陷，增加了纤维的脆性，反而不利于力学性能的提高，因此浆液浓度不能过大，控制在3%时最好.3结论（1）对碳纤维缝线进行上浆明显提高了其拉伸强度和钩拉强度，上浆后的碳纤维缝线的拉伸强度比未上浆的提高了47.7%；钩拉强度比未上浆的提高了29.3%.（2）上浆后的碳纤维缝线的耐磨性明显提高，浆液质量分数为3%时，碳纤维缝线的耐磨性最好，耐磨次数达到936次，是未上浆碳纤维耐磨次数的3.9倍.（3）碳纤维缝线上浆是改善纤维表面毛丝量，减少其表面缺陷，提高缝线力学和耐磨性能的有效方法，但是浆液的质量分数不能大于3%，否则浆料过多的在纤维表面富集，增加纤维脆断的机率，降低其力学和耐磨性能.参考文献：[1]WEIMER C.Preform-engineering：Applied sewing technolo原gies to incorporate part and process functions into dry textile reinforcements[J].Composites Science and Technology，2003（63）：2089-2098.[2]WEIMER C，MITSCHANG P.Aspects of the stitch for mation process on the quality of sewn multi-textile preforms[J].Com原posites：Part A，2001，32：1477-1484.[3]TAN K T，WATANABE N，IWAHORI Y.Effect of stitch den原sity and stitch thread thickness on low-velocity impact damage of stitched composites[J].Composites：Part A，2010，41：1857-1868.[4]MEI Hui，YU Changkui，XU Hongrui，et al.The effects of stitched density on low-velocity impact damage of cross-woven carbon fiber reinforced silicon carbide composites[J].Ceramics International，2016（42）：1762-1768.[5]YUDHANTO Arief，WATANABE Naoyuki，IWAHORI Yutaka. 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