碳纤维/PBO纤维层间混杂复合材料性能

　　西南石油大学王斌课题组获得抗裂纹能力优良的碳纤维/PBO混杂复合材料

 

 

　　碳纤维复合材料的脆性对损伤非常敏感，抵抗裂纹扩展能力差，容易造成毁灭性破坏。在应用研究中发现，采用与高性能有机纤维混合形成混杂复合材料，是当前碳纤维复合材料提高其综合性能研究与应用的一个重要发展方向，而且扩大了其应用范围，受到了复合材料界的普遍关注。

 

　　本文提供了一种碳纤维/PBO（聚对苯撑苯并双噁唑）层间混杂复合材料制备方法，突出了混杂比、不同性能的碳纤维以及不同的粘接界面与PBO/碳纤维复合材料的拉伸性能和层间剪切性能密切关系，同时也提供了一种利用不同的粘接界面研究混杂效应的新思路。

 

　　课题组采用PBO纤维与两种类型的高性能碳纤维（HTA-P30和T800）进行层间混杂，与环氧树脂复合形成复合材料。实验数据表明，HTA-P30、T800在铺层混杂次序和混杂比完全相同的情况下，与PBO纤维混杂后其复合材料性能有一定的差异，其与混杂比的变化关系在图1-图3中更为直观。HTA-P30碳纤维与PBO纤维混杂后，拉伸强度和模量均低于混合定律计算值（图1（a）和图2（a）），而T800碳纤维与PBO纤维混杂后，其复合材料的拉伸强度低于混合定律计算值（图1（b）），拉伸模量则高于混合定律计算值（图2（b）），这可能与T800碳纤维的拉伸强度、模量和工艺性均优于HTA-P30碳纤维有关。但无论PBO纤维与HTA-P30碳纤维混杂还是与T800碳纤维混杂，层间剪切强度均高于混合定律计算值(图3)，且这三种性能（拉伸强度、模量和层间剪切强度）的离散系数Cv均有不同程度的降低，这些说明PBO纤维的加入，有利于提高碳纤维复合材料的层间剪切性能，降低其性能的分散性。

 

（a）HTA-P30与PBO混杂

 

（b） T-800与PBO混杂

 

　　图1  HTA-P30和 T-800与PBO混杂后的拉伸强度、离散系数与混杂比的关系

 

(a) HTA-P30与PBO混杂

 

(b) T-800与PBO混杂

 

　　图2  HTA-P30和T-800与PBO混杂后的弹性能模量与混杂比的关系

 

(a) HTA-P30与PBO混杂

 

(b) T-800与PBO混杂

 

　　图3  HTA-P30和T-800与PBO混杂后的剪切强度与混杂比的关系

 

　　由于PBO纤维与环氧树脂的层间剪切强度只有24.6 MPa，属于弱界面，本文对于PBO纤维进行了表面偶联剂处理(处理后PBO纤维/环氧的界面粘强度比未处理可提高61.3％)，研究界面粘接性能对混杂效应的影响。处理后的PBO纤维与T-800纤维进行混杂，由于提高了其界面粘结性能，其拉伸强度σ、弹性模量E、层间剪切强度τ 的混杂效应Re均有不同程度的增大，其中τ 的Re增幅快，τ 的Re增幅快，高可分别提高178.6%和88.5％。这表明PBO纤维/环氧弱界面层粘结性能的改善，可明显提高混杂复合材料的层间剪切性能。

 

图4  表面处理前后Vcf与Re的柱形关系图

 

　　引用格式！王斌,王文静,吕钧炜,等.碳纤维/PBO纤维层间混杂复合材料性能[J].固体火箭技术,2019,42(6):741-746.

 

　　WANG Bin,WANG Wenjing,LV Junwei,et al.

 

　　Mechanical properties of unidirectional carbon-PBO fiber reinforced hybrid composite[J].Journal of Solid Rocket Technology,2019,42(6):741-746.