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1、2002 年 6 月J un. 2002Jo u rn a l o f N an jin g U n ive r sity o f A e ro n au t ic s & A st ro n au t ic s文章编号: 100522615 (2002) 0320266204M 46J 高模量碳纤维预浸 Q Y 8911 纤维束性能研究李勇肖军(南京航空航天大学材料科学与技术学院 南京, 210016)张唐领(广州飞机维修工程公司 广州, 510405)摘要 以航空发动机应用为背景, 研究了M 46J Q Y 8911 缠绕复合材料的预浸纱制备方法及性能, 根据M 46J 特性, 对现有的
2、GB 3326 中纤维束力学性能测试试样的加强方式进行了改进, 制作了M 46J 浸渍 Q Y 8911 树脂的纤 维束试样并测试其力学性能, 同时与M 46J 浸渍环氧树脂的纤维束的力学性能进行比较。研究表明, 不同树脂特性、不同固化工艺以及制造中所施加的张力都会影响到纤维束的纤维利用率。关键词: 复合材料; 碳纤维; 预浸纱; 力学性能中图分类号: TB 332; V 214. 41. 8文献标识码: A环。引言与飞机结构的不同, 发动机高温高速条件对其材料的要求极为苛刻。 对于新型高推重比的发动 机, 其前端部件的使用温度高达 280, 耐高温树 脂基复合材料成为航空发动机中的关键技术。
3、高强 高模耐高温树脂基复合材料的关键技术是选择合适的纤维和树脂。树脂必须采用耐高温树脂, 目前,航空中使用的耐高温树脂主要为聚酰亚胺 (BM I)。 加成型聚酰亚胺即双马来酰亚胺, 既有接近聚酰亚胺 的 耐 热 性, 又 基 本 保 留 环 氧 的 成 型 工 艺 性,Q Y 89112 是 国 内 耐 温 和 其 他 性 能 较 好 的 树 脂1, 2 。M 46J 是高模量系列的碳纤维, 其综合性能优良。而发动机上所用的复合材料构件绝大部分通过缠绕工艺制造的。高模量碳纤维的缠绕由于纤维 的特殊性, 一般须采用预浸纱缠绕技术3 。 本文以M 46J 高模量纤维和 Q Y 89112 树脂为体
4、系研究 其缠绕用预浸纱的性能, 研究浸渍不同树脂以及不同树脂的固化条件对 M 46J 高模量碳纤维束的强 度和刚度性能的影响, 为研制M 46J Q Y 89112 缠绕复合材料构件奠定基础, 同时为设计和工艺提供性能数据。树脂基复合材料由于性能优越, 在军机中的应用部位不断扩展、用量不断增加。 目前西方先进战 斗机的复合材料用量已经超过 20% , 部分机型中结构件用量达到 30% 。发动机是飞机的心脏, 为了 适应现代战争的需要, 各国在研制新一代战斗机的 同时, 也积极地开发了高推重比的军用发动机。 提 高发动机推重比的途径包括: 减轻发动机的重量和 提高发动机的涡轮进口温度。采用新材料
5、减轻发动机的重量已成为这一领域内科技人员的共识。根据美国 IH P T E T 计划, 具有前掠、复合材料叶冠整体 缠绕风扇的第一代联合短寿命涡轮发动机概念研究机试验已经完成, 试验证明这种涡扇发动机比基 准发动机可提高推重比 40% , 耗油率下降 20% 。树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐 腐蚀和阻抗性, 用他制造发动机零件不仅能明显减 轻发动机零件的重量, 而且能提高使用寿命。 目前 树脂基复合材料在发动机上的应用已经逐步扩大, 其主要应用部位外涵道、风扇叶片、风扇机匣包容基金项目:“九五”国防重点预研基金 (编号: 24. 2. 3. 14) 资助项目。收稿日期: 20
6、01207206; 修订日期: 2001212217作者简介: 李 勇, 男, 讲师, 1970 年 5 月生; 肖 军, 男, 教授, 1959 年 3 月生; 张唐领, 男, 助理工程师, 1978 年 5 月生。267第 3 期李 勇, 等: M 46J 高模量碳纤维预浸 Q Y 8911 纤维束性能研究很小, 仅为 1% , 可以不考虑。1 实验1. 3试样制作1. 1原材料性能M 46J 为由日本东丽公司生产M J 系列的碳纤 维, 本文选用的是 12K 纤维。 其主要性能列于表 1 中。在拉伸纤维束时, 有可能各单丝受力不均匀而断裂参差不齐。这是由于夹头对各根纤维夹力松紧 不一,
7、或各单根纤维伸直的程度不一所致。 如果用树脂将一束纤维中各根纤维粘结在一起, 依靠树脂传递应力, 则在受夹头压紧或施加拉伸应力时, 可 较好的克服上述缺点。 在拉伸试验中, 由于树脂的 模量及强度比纤维的模量及强度低得多, 所以计算拉伸强度时可将树脂所承受的拉力忽略不计。但由 于树脂和纤维联合承力和变形, 所测纤维束强度和 模量数据总要受到树脂的影响, 所以这种方法测量 的纤维束强度和模量为表观强度和表观模量。纤维束拉伸试样的制作如图 1 所示, 取一纱轴纤维并把纱缠在专用装置上; 在纤维束用滴管滴加Q Y 8911 树脂, 保持均匀滴定; 然后室温放置 12 h;最后按照 Q Y 8911
8、树脂的固化工艺制度进行加温 固化。表 1M 46J 碳纤维的性能每束纤 强度维根数 M P a模量 延伸率线密度(gkm - 1 )密度(gcm - 3 )(% )GP a12 000 3 7634330. 94451. 84Q Y 89112 树脂是由北京航空工艺研究所研制, 经过改性的双马来酰亚胺, 主要成分是对 4, 4- 二苯基甲烷双马亚酰亚胺, 以端活性低分子量的 聚醚砜作改性剂。其耐温性达 230。Q Y 89112树脂的物理性能见表 2, 表 2 中液体为丙酮溶液。表 2 Q Y 8911 树脂的物理性能密度(gcm - 3 )树脂含量(% )平衡吸湿量 最大吸湿量种类(% )(
9、% )固体液体1. 241000. 62. 80. 8745 501. 2 M 46J 纤维束截面积测量试 样 制 备 按 GB 1446278; 试 样 外 观 检 查 按GB 14462784 ; 试样在试验前用蘸有溶剂 ( 对 试 样 不起腐蚀作用) 的软布擦干净后进行预处理; 室温干燥器放置 24 h。 采用称量法直接测量纤维束的线密度; 然后采用排代法测量纤维束的体密度; 由纤维束的线密度和体密度值可求出纤维束的截面积。采用 3 组试样 进行了测试, M 46J 纤维束截面积的测试数据列于表 3 中。表 3 M 46J 测试数据图 1 纤维束涂胶装置固 化 后 的 纤 维 束 按 图
10、 2 所 示 尺 寸 裁 剪,GB 3326 注明试样用胶粘剂和牛皮纸加强制作。但M 46J 纤维力学性能试验表明这种加强方式容易 导致试验失败: 根部断裂或加强部位处破坏, 即牛皮纸破坏或滑脱, 不能测出纤维束的强度。 作者对 纤维束强度和模量试样进行了改进, 采用胶粘剂和铝片加强, 为了使铝片上的载荷充分传递到纤维束, 在铝片和纤维束之间加上一层玻璃纤维毡以形 成一富树脂层。实验结果表明这种改进的加强方式 非常有效, 几乎所有试样都在试样的有效部位断 裂。L (m gmm - 1 )V (m gmm - 3 )A mm 2试样号1#0. 4431. 830. 2422#0. 4421. 8
11、20. 2433#0. 4411. 810. 243根据表 3,M 46J 纤维束平均截面积 A =0. 243mm 2。 表 3 中平均体密度为 1. 82 m gmm 3 , 与表 1中的数据相比偏低。主要是由于排代法测量时用细 丝作悬挂, 而细丝本身也有很小的浮力, 因此测得的体积比实际的大, 所以密度比标称值小。 但误差268南 京 航 空 航天 大 学 学 报第 34 卷L = 100%(3)L2测试结果及分析为 了 研 究 浸 渍 Q Y 8911 树 脂 后 高 温 固 化 对M 46J 高模量碳纤维的强度和刚度性能的影响, 本文除了对制好的 M 46J Q Y 8911 纤维束
12、试样进行 了强度和刚度测试外, 同时还制作了常温固化的环氧 648 树脂浸渍 M 46J 纤维束试样, 并进行了性 能测试和比较。 在性能测试中, 由于纤维束的破坏载荷低于 800 N , 不足以引起刚性夹头的位移, 所 以 X 2Y 记录仪记录的变形就是纤维束本身的变形量。浸渍两种不同树脂的纤维束试样测试结果列于表 4 中。从结果来看所有测试项目的离散系数低于7% , 在允许的测试误差范围内 (复合材料测试通常 要求离散系数低于 10% )。表 4 中的纤维性能利用 率为测试结果与东丽公司所提供的相应的性能的 比值。图 2 纤维束拉伸试样根据剪滞模型和理论5 7 , 在加强片端部存在剪应力应
13、力集中 (见图 3)。 牛皮纸刚度小, 试验机 夹头上分布着一系列凸起, 在加载时很容易通过牛 皮纸将压缩载荷直接传递到纤维束上, 因此纤维束 上除了存在剪应力的应力集中外, 还存在局部的压应力和弯矩。 而M 46J 纤维束很脆, 对应力集中和 弯矩很敏感, 因而很容易在加强部位破坏。表 4浸渍两种不同树脂的M 46J 纤维束试样力学性能测试结果参数M 46J Q Y 8911 M 46J 环氧树脂拉伸强度 t M P a离散系数(% ) 纤维利用率(% ) 拉伸模量 E a GP a 离散系数(% ) 纤维利用率(% ) 断裂伸长率 (% ) 离散系数(% ) 纤维利用率(% )3 2964
14、. 788372. 83. 4860. 906. 4902 6196. 570378. 82. 6870. 715. 779图 3 纤维束加强部位的剪应力分布而改用铝片和玻璃毡后, 在加载时试验机夹头上的凸起的压缩载荷先传递到铝片上, 然后再传到 毡层上, 由毡层最后传递到纤维束上。 纤维束上局 部集中的压应力和弯矩已基本消除, 纤维力学状态好, 加强效果明显。1. 4纤维束拉伸强度和刚度性能测试实验采用精度为1% 的 C SS21101 电子万能试验机。测试时通过 X 2Y 记录仪记录其拉伸的载 荷- 变形曲线, 根据曲线由破坏载荷和纤维束的截面积可计算出纤维束的表观拉伸强度根据表 4 中的
15、数据可以发现 M 46J 纤维束浸渍 Q Y 8911 树脂试样的强度比浸渍环氧 648 树脂 试样的强度要高 27% ; 而两者的拉伸模量数据非常接近。浸渍Q Y 8911 树脂试样的断裂伸长率比浸 渍环氧树脂试样要高, 这是由于前者相应的强度高于后者所造成的。 从总体来看, 浸渍 Q Y 8911 树脂 试 样 的 纤 维 利 用 率 高 于 浸 渍 环 氧 树 脂 试 样, 即M 46J Q Y 8911 纤维束的总体性能好。 造成这两种试样性能差别的原因在于两种树脂的性能和固化工艺条件不同, 主要是固化工艺条件不同所造成的。Q Y 8911 树脂是高温固化体系,固化时最高温度达到 23
16、0, 而M 46J 碳纤维是具 有热缩冷胀特性的纤维。 在高温固化时, 由于纤维的收缩使得几乎所有的纤维处于伸展状态; 树脂固Pt =(1)A式中, P 为破坏载荷; A为纤维束的截面积; 在曲线上截取一直线段, 求出其斜率, 由斜率可计算出纤维束的表观拉伸摸量 P L E a =(2)A L式中, P 为曲线上截取直线段的载荷增量; L 对应于 P 段的变形量; L 为试样的标距; A为纤维束的截面积; 由纤维束断裂时的相应标距内的变形量可求出纤维束的断裂伸长率269第 3 期李 勇, 等: M 46J 高模量碳纤维预浸 Q Y 8911 纤维束性能研究化定型后, 尽管降温冷却纤维束会膨胀,
17、 但纤维的内部状态会继续保持, 因而加载时纤维利用率高。 而环氧树脂是常温固化体系, 浸渍后无需高温固 化。 浸渍时, 部分纤维处于伸展状态部分处于弯曲 状态, 固化后这种状态会继续保持。 加载时处于伸展状态的纤维先承载, 随着试样的不断变形, 其他纤维会陆续承载。 由于M 46J 是高模量纤维, 断裂 伸长很小, 因此有部分纤维不承载, 所以加载时纤维利用率低。 另外, 也说明了在加工预浸纱以及用 预浸纱制备制品过程中, 对纤维束必须施加一定的张力以提高纤维的利用率, 从而提高复合材料构件 的力学性能。(3) 要提高M 46J 增强复合材料的综合力学性能, 在加工缠绕预浸纱以及用预浸纱缠绕制
18、备制品 过程中, 对纤维束或预浸纱必须施加一定的张力以 提高纤维的利用率, 从而提高缠绕制品的力学性 能。参 考 文 献1赵渠森. 先进战斗机用复合材料树脂基体 J . 高科技纤维与应用, 2000, 25 (4) : 14 182赵渠森. 预浸料技术及其设备 J .1994, 1 (1) : 31 36玻璃钢复合材料,3F igue iredo J L , B e rna rdo C A , B ak e r R T K , e t a l.C a rbo n f ibe r s f ilam en t s and com po site s M . N e th e r2land: K l
19、uw e r A cadem in P ub lish e r, 1990欧阳国思, 欧国荣编. 复合材料试验技术 M . 武汉: 武 汉工业大学出版社, 1993. 34Su th e r land L S, So a re s C G. R ev iew o f p ro bab ilist ic m o de ls o f th e st reng th o f com po site m a te r ia ls J . R e2liab E ng Sy stem Safe ty, 1997, 56: 183 196B eye r le in I J , P ho en ix S L.
20、 S t re ss co ncen t ra t io n s a ro und m u lt ip le f ibe r b reak s in an e la st ic m a t r ix w ith lo ca l y ie ld ing o r debo nd ing u sing quad ra t ic inf luencesup e rpo sit io n J . J M ech P h y s So lid s, 1996, 44: 19972039O ch ia i S. S t ra in co ncen t ra t io n fac to r s fo r f
21、ibe r s and m a t r ix in un id irec t io na l com po site s J . Com Sc i T ech2no l, 1991, 41: 237 256结论34(1) 本文对纤维束力学性能测试试样加强方式进行改进, 采用铝片加强, 同时在铝片和纤维束之 间加上一层玻纤毡以形成一富树脂的应力传递层,这种试样完全适用于高模量高强度的 M 46J 纤维 束力学性能的测量。(2) 纤维浸渍不同的树脂体系, 尤其是浸渍树 脂后固化工艺不同, 最终纤维束的力学性能也不 同。 对于高温固化的树脂体系, 由于加温固化过程 中纤维的收缩使纤维处于平行伸展状态
22、, 结果纤维的利用率高; 而常温固化的树脂体系, 浸胶固化后 部分纤维处于非伸展状态, 因而纤维的利用率低, 最终纤维束力学性能差。567Bun d le Proper t ie s of M 46J Ca rbon F ibreTow Im pregna ted w ith QY 8911 Re s inL i Y on gX ia o J u nCo llege o f M a te r ia l Sc ience and T ech no lo gy,N an jing U n ive r sity o f A e ro nau t ic s & A st ro nau t ic s N
23、 an jing 210016, P. R. C h inaZ h a n g T a n g l in g(Guangzho u A irc raf t M a in tenance E ng inee r ing Co. L td Guangzho u 510405, P. R. C h ina)A bstra c t T h e p ro ce ss an d th e b u n d le p rop e r t ie s o f h igh p e rfo rm an ce M 46J ca rbo n f ib e r tow im p regn a t2ed w ith Q Y
24、8911 re sin a re stu d ied, w h ich is u sed fo r f ilam en t w in d in g com po site s in th e a ir2tu rb in e. T h e st ren g th en ed w ay s o f sp ec im en s fo r th e b u n d le m ech an ica l p rop e r ty te st stan da rd ized in GB 3326 in C h in a a re m o d if ied to ge t a sa t isf ied b r
25、eak m o de. T h e m o d if ied sp ec im en s o f M 46J im p regn a ted w ith Q Y 8911 re sin an d M 46J im p regn a ted w ith epo x y 648 re sin a re m ade. T h e b u n d le m ech an ica l p rop e r t ie s o f M 46J im p regn a ted w ith Q Y 8911 a re o b ta in ed com p a red w ith tho se o f M 46J epo x y 648 p rep regged st ran d s. F i2n a lly, d iscu ssio n s o n effec t s o f d iffe ren t re sin s, cu re co n d it io n , p re2ten sio n app lied a re ca r r ied o u t.Key word s: com po site s; ca rbo n f ib re; p rep egged st ran d s; m ech an ica l p rop e r t ie s