摘要：本文以軌道和公路交通輕量化為背景，針對汽車(chē)和高鐵用T700級碳纖維復合材料中環(huán)氧樹(shù)脂對碳纖維的浸潤性開(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構對其樹(shù)脂浸潤性影響、稀釋劑用量和浸潤溫度對環(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構對其在E51環(huán)氧樹(shù)脂中浸潤性的影響規律，解析浸潤溫度和環(huán)氧樹(shù)脂粘度等對纖維浸潤效果的影響，為汽車(chē)/高鐵用碳纖維表面結構與環(huán)氧樹(shù)脂的匹配性奠定理論基礎和積累實(shí)驗數據。

隨著(zhù)科技的進(jìn)步和社會(huì )的發(fā)展，“節能環(huán)?！痹絹?lái)越成為社會(huì )廣泛關(guān)注的話(huà)題。碳纖維因具有輕質(zhì)高強、可設計性強、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)家認為，隨著(zhù)我國碳纖維行業(yè)的不斷發(fā)展，節能減排和車(chē)體輕量化大方向的指引，碳纖維材料或將成為軌道和公路交通界“瘦身革命”的領(lǐng)導者。而欲制備綜合性能優(yōu)異的碳纖維復合材料，必須對纖維的浸潤性及其影響因素進(jìn)行研究。

本文從T700級碳纖維（濕法和干濕法）的表面理化結構出發(fā)，結合常用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(guān)浸潤性研究，以期探明影響樹(shù)脂浸潤性的碳纖維表面結構要素，揭示碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間的結構與工藝匹配性，為高鐵/汽車(chē)用碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂的界面結合提供理論支撐和數據積累。

1 T700級碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂浸潤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值的調節可以實(shí)現碳纖維表面溝槽尺寸的調節，因此制備不同表面溝槽結構的碳纖維可行;有報道上漿量與碳纖維表面的化學(xué)結構存在一定的關(guān)系，環(huán)氧樹(shù)脂黏度的溫度響應性顯著(zhù)。

在以上實(shí)驗和文獻調研的基礎之上，結合實(shí)際應用需求，本研究合理設計了研究?jì)热?，保障研究工作的順利展開(kāi)。

作者所在的北京化工大學(xué)碳纖維研究所是國內碳纖維及其復合材料研究開(kāi)發(fā)的核心單位之一，在業(yè)界具有很強的影響力。作者及所在的團隊從事碳纖維制備技術(shù)多年，在碳纖維表面結構調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。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)驗線(xiàn)，擁有測試表征所需要的動(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)測試儀器，課題所在的北京化工大學(xué)擁有課題測試表征所需要的X射線(xiàn)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浸潤性研究方案

2.1碳纖維的表面理化結構調控

樹(shù)脂對碳纖維表面的浸潤性影響因素有很多。碳纖維表面的比表面積的大小，碳纖維表面的溝槽結構或纖維表面的活性基團的數量和種類(lèi)，均對碳纖維的浸潤性有影響。

2.1.1上漿量對碳纖維表面化學(xué)結構的影響

采用XPS結合SEM研究上漿劑用量對濕法和干濕法碳纖維表面化學(xué)結構的影響，并將二者進(jìn)行對比分析。

2.1.2碳纖維表面物理結構調控

分別研究濕法和干濕法碳纖維表面物理結構特征，通過(guò)改變濕法紡絲原絲制備工藝，制備表面物理結構不同的T700碳纖維，并用matlab對其表面溝槽進(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)脂對碳纖維的浸潤性。樹(shù)脂的黏度越大，其越難浸潤纖維;樹(shù)脂的表面張力越小，浸潤纖維越易。

2.2.1溫度對樹(shù)脂的表面張力和黏度的影響規律

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

2.2.2稀釋劑對樹(shù)脂表面張力和黏度的影響規律

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，測試稀釋劑種類(lèi)和用量對樹(shù)脂表面張力和黏度的影響規律。

2.3樹(shù)脂的碳纖維浸潤性

表面浸潤性能是碳纖維的一項重要性能，它對復合材料的性能有著(zhù)至關(guān)重要的影響。表面浸潤性能的評價(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價(jià)指標，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)脂的復合首先是一個(gè)浸潤過(guò)程，復合材料界面的形成過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)固化形成復合材料。樹(shù)脂是否能充分浸潤纖維直接關(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)脂對碳纖維表面浸潤性好;反之，如果接觸角大，證明樹(shù)脂對碳纖維表面的浸潤性較差，如圖1所示。

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

3 T700級碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂浸潤性研究的研究方法和技術(shù)路線(xiàn)

3.1研究方法

掃描電子顯微鏡（SEM）。上漿量對碳纖維表面物理結構的影響研究，采用掃描電鏡對不同上漿量的碳纖維表面形貌進(jìn)行觀(guān)察，并進(jìn)行宏觀(guān)解析;掃描電鏡測試不同表面物理結構的樣品的截面，用于matlab計算。

X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）。上漿量對碳纖維表面化學(xué)結構的研究，采用XPS測試并根據特征峰的位置，計算各特征結構的含量。

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

表面張力儀。溫度和稀釋劑品種用量對樹(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)行測試。

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

Matlab軟件。計算碳纖維表面溝槽的特征。

3.2技術(shù)路線(xiàn)

本研究所采用的技術(shù)路線(xiàn)圖如圖2。

4浸潤性研究預期解決的問(wèn)題

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

E51環(huán)氧樹(shù)脂的可控調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)脂調配其特性變化規律，掌握樹(shù)脂的調配方法，為樹(shù)脂浸潤碳纖維做好基礎。

建立碳纖維表面理化結構與樹(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。碳纖維復合材料的性能在很大程度上取決于碳纖維和復合材料的界面結合，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合。因此，以接觸角為參考值，研究碳纖維表面理化結構與樹(shù)脂浸潤性的匹配關(guān)系是本研究想解決的第三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

5結語(yǔ)

T700級碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂的浸潤性研究以節能降耗、綠色環(huán)保，交通運輸輕量化為大背景，開(kāi)展碳纖維表面理化結構與其樹(shù)脂浸潤性的影響關(guān)系研究，借助Matlab解析碳纖維表面溝槽結構對其樹(shù)脂浸潤性的影響，通過(guò)調節樹(shù)脂的理化性質(zhì)，掌握其調控的方法，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級碳纖維復合材料的應用發(fā)展提供數據支撐?？偠灾?，這是一項非常有前景的研究項目。