黄 建，孙 洋，孙方方，周海丽，李 超，张立泉
（南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 210012）
碳纤维的制备工艺包含两种：湿法纺丝（H型）和干喷湿法纺丝（S型），其中湿法纺丝工艺采用如下工序：（1）制备纺丝原液；
（2）原液从喷丝孔压出形成细流；
（3）原液细流在凝固浴中形成初生纤维；
（4）初生纤维后处理及卷装。与湿法纺丝不同，干法纺丝的纺丝液细流直接进入纺丝甬道，通过热气流的作用使原液细流中的溶剂快速挥发，原液同时固化并在卷绕张力的作用下伸长变细形成初生纤维。干喷湿法纺丝是指兼有干法和湿法纺丝特点的溶液纺丝法，喷头拉伸倍率较高，进入湿法凝固浴成形后初生丝强度较高［1］。湿法纺丝的特点是喷丝头孔数多，但纺丝速度慢，适合纺制短纤维，而干法纺丝适合纺制长丝。通常同品种化学纤维利用干法纺丝较湿法纺丝所得纤维结构均匀，质量较好［2］。在初生纤维生产中，还需完成后处理工序，使纤维具有必要的可纺性［3］。目前，国产T800级碳纤维的生产工艺包含了湿法纺丝和干喷湿法纺丝两种，两种碳纤维制备工艺示意图如图1所示。
图1 湿法纺丝与干喷湿法纺丝两种碳纤维 制备工艺的示意图
三维机织复合材料是20世纪60年代后期发展起来的一种新型复合材料，利用机织工艺得到空间网状结构的纤维预制体，通过树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）工艺将预制体与树脂基体复合成型得到高性能复合材料。由于三维机织复合材料厚度方向存在增强纤维，使预制体形成了不会分层的整体网状结构，增加了复合材料的层间连接性能，使其具有比传统二维铺层复合材料更高的层间刚度、层间强度，三维机织复合材料还具有优异的抗冲击性能和抗分层性能［4-9］。预制体采用机织工艺制造，可以根据结构件几何外形进行机织工艺设计，实现不规则外形构件预制体的一体化成型，适应高效率的自动化生产方式，RTM成型过程中预制体定位精准度高、纤维不错位。
以碳纤维为原材料制备的三维机织复合材料在航空航天、船舶、建筑、运动器械和医疗器械等方面具有广泛的应用空间［10-13］，如新型复合血管支架［10］、三维正交机织复合材料加筋板［11］、微带天线［12］等，采用三维机织复合材料的“T”型接头的破坏载荷比基于铺层复合材料的“T”型接头高206%［13］。碳纤维增强三维机织复合材料另一个典型应用是航空发动机风扇叶片，LEAP系列航空发动机均采用了三维机织复合材料风扇叶片。相比于上一代，LEAP发动机燃油消耗可减少15%，二氧化碳排放量可减少15%，氮氧化物排放量不足其60%，且更为 安静［14］。风扇叶片是航空发动机最大的高速转子件，承受高速离心载荷和气动载荷，对材料的疲劳性能具有极高的要求。LEAP航空发动机及其采用的三维机织复合材料风扇叶片如图2所示。
图2 LEAP航空发动机及其采用的三维机织复合材料风扇叶片
本文针对国产T800级H型和S型碳纤维开展微观形态观测和相关力学性能试验研究，以探究两种碳纤维对于风扇叶片的适用性，主要包含如下4个方面的研究内容：
（1）H型与S型碳纤维微观形态观测试验研究。
（2）H型与S型碳纤维浸胶纱拉伸性能研究。
（3）H型和S型纤维三维机织复合材料拉伸性能 对比。
（4）H型和S型纤维三维机织复合材料拉-压疲劳性能对比。
1.1 实验材料
所采用的原材料为威海拓展纤维有限公司生产的T800级H型和S型两种碳纤维，分别采用湿法纺丝和干喷湿法纺丝工艺制备，三维机织复合材料基体采用CYCOM PR520N树脂。
1.2 机织结构
以H型和S型碳纤维为原材料制备的三维机织复合材料采用相同的一三斜纹机织结构，如图3所示，图中经纱呈屈曲形态，纬纱垂直于经纱分布，树脂基体填充经纱与纬纱留下的空白空间。
图3 一三斜纹机织结构
1.3 试验仪器
本文共涉及3类试验仪器，如表1所示：
表1 试验仪器
本文进行国产T800级S型和H型两种碳纤维微观形态、拉伸力学性能以及制备成三维机织复合材料后的准静态力学性能和动态疲劳性能研究，综合对比分析两种碳纤维对于风扇叶片的适用性，涉及的试验方法包括纤维微观形态观测试验方法、纤维浸胶纱拉伸力学性能测试方法、三维机织复合材料拉伸力学性能试验方法以及三维机织复合材料拉-压疲劳性能试验方法。
2.1 纤维微观形态观测试验方法
分别采用扫描电镜拍摄S型和H型碳纤维表面，扫描电镜设备为TESCAN VEGA3，放大倍数在1000～10000之间，重点关注纤维表面形态，拍摄相关照片，对比两种纤维表面形态的差异。
2.2 纤维浸胶纱拉伸力学性能测试方法
分别采用S型和H型碳纤维制作浸胶纱试验件，保证浸胶工艺相同，每组试验件的数量不少于6个，浸胶纱制备完成后采用INSTRON电子万能材料试验机测试浸胶纱的拉伸模量、拉伸强度、断裂伸长率等力学性能，制备的浸胶纱试验件如图4所示。按ASTM D4018规定的方法进行测试，测试前预加载荷约为破坏载荷的2%，测试时横梁位移速度为 5 mm/min，拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率同时测试，拉伸弹性模量计算应变取值范围为拉伸应变0.1%～0.6%的弦模量。
图4 浸胶纱拉伸试验件
2.3 三维机织复合材料拉伸力学性能试验方法
三维机织复合材料准静态力学性能试验按照ASTM D3039标准执行，分别采用S型纤维和H型纤维制备具有相同一三斜纹机织结构的三维机织复合材料，制备经向拉伸试验件，试验件尺寸如图5所示，采用MTS材料试验机进行拉伸试验，得到其经向拉伸模量和强度，并且在测试过程中为了保证数据的准确和可靠，采用非接触三维全场应变测量分析系统检测试件（DIC）的全场应变，试验设置如图6所示。
图5 拉伸试验件几何尺寸
图6 三维机织复合材料拉伸试验设置
2.4 三维机织复合材料拉-压疲劳性能试验方法
三维机织复合材料拉-压疲劳性能试验设置如图7所示，试验件几何尺寸同拉伸试验件一致，试验过程中为了防止试验件失稳导致试验失败，安装防失稳夹具。分别进行H型和S型两种纤维三维机织复合材料的经向拉-压疲劳，幅值应力为160 MPa，应力比为-1，加载频率为10 Hz，通过试验件的疲劳寿命判断两种纤维疲劳性能的优劣。
图7 三维机织复合材料拉-压疲劳试验设置
3.1 纤维微观形态结果
扫描电镜拍摄的国产T800级S型纤维和H型纤维照片如图8所示，图中可以看出由干喷湿法纺丝工艺制备的S型纤维表面较为光滑，而湿法纺丝工艺制备的H型纤维表面存在沟槽。两种纤维的直径相同，H型纤维的表面积更大，基于材料力学基本原理可知，相同复合成型工艺条件和成型质量的前提下，H型纤维和树脂基体的界面连接强度高于S型纤维。
图8 国产H型纤维（a）和S型纤维（b）表面形态扫描电镜照片
3.2 纤维浸胶纱拉伸性能试验结果
S型和H型碳纤维浸胶纱拉伸试验应力应变曲线分别如图9（a）和（b）所示，可以看出试验具备较好的重复性，试验数据如表2所示。
图9 H型（a）和S型（b）碳纤维浸胶纱拉伸试验应力应变曲线
从表2中可以看出，两种纤维具有基本一致的拉伸模量，但S型纤维拉伸模量的离散系数较大；
另一方面，S型碳纤维具有较高的拉伸强度，比H型碳纤维高9.09%；
S型碳纤维的断裂伸长率比H型碳纤维高约6.98%。因此，整体来讲，干喷湿法纺丝工艺制备的S型纤维具有比湿法纺丝工艺的H型纤维更好的拉伸模量、拉伸强度以及断裂伸长率等力学性能，但是其拉伸模量离散系数较大。
表2 H型和S型碳纤维浸胶纱拉伸试验结果
3.3 三维机织复合材料拉伸力学性能试验结果
相同试验条件下的H型纤维和S型纤维三维机织复合材料断裂后，采用扫描电镜拍摄断面形貌如图10所示，可以看出，以两种纤维为原材料制备的三维机织复合材料在拉伸载荷作用下主要的破坏模式为树脂断裂、纤维拔出、界面破坏等方式。采用DIC系统测量得到的试验件表面应变随着拉伸过程的变化如图11所示，随着载荷的增加，试验件表面应变也在逐渐增加，而且其表面应变场也呈现出与机织结构表面纹路分布相似的形态，其应变场的非均匀性逐渐增加。
图10 扫描电镜得到的拉伸试验件断面形貌
图11 不同测试阶段得到的试验件表面应变场
相关的力学性能统计如表3所示，可以看出，以H型纤维和S型纤维编织的三维机织复合材料刚度性能较为接近，但是使用S型纤维会导致其离散系数大幅增加。在强度方面，以S型纤维为原材料制备的三维机织复合材料具有比H型纤维复合材料更高的强度值，约高13.16%，但是离散系数也相对较大。
表3 H型和S型碳纤维三维机织复合材料 准静态试验数据对比
3.4 三维机织复合材料拉-压疲劳性能试验结果
三维机织复合材料在拉-压疲劳载荷作用下的破坏形态如图12所示，试验件呈现出压剪破坏模式，试验件的裂纹扩展方向与试验件厚度方向大致呈45°夹角，出现界面脱粘、树脂开裂、纤维束开裂和贯穿等破坏模式。两种纤维对应的复合材料在拉-压疲劳载荷作用下的寿命如表4所示，可以看出，本次试验结果的一致性较好，在相同峰值应力、应力比以及加载频率外载条件下，S型纤维三维机织复合材料疲劳寿命要比相应的H型纤维复合材料低52.13%。
图12 三维机织复合材料在拉-压疲劳载荷作用下的破坏形态
表4 H型和S型碳纤维三维机织复合材料疲劳寿命
（1）S型纤维表面较为光滑，而H型纤维表面布满沟槽，比表面积增加，有利于增强纤维与树脂的界面强度。
（2）两种纤维的拉伸模量差别很小，但是S型纤维具有更高的拉伸强度。
（3）两种纤维制备相同机织结构的三维机织复合材料刚度值差别较小，但是强度方面S型纤维具有较大优势。
（4）S型纤维制备的三维机织复合材料抗疲劳性能较差，相同应力载荷条件下的拉-压疲劳寿命比相应的H型纤维低52.13%。
（5）通过以上试验研究，S型纤维在复合材料强度方面具有较大优势，适用于非疲劳高承载结构，但是H型纤维复合材料的抗疲劳性能更好，因此对于大涵道比航空发动机风扇叶片这种对于疲劳性能要求极高的工程应用应优先选用H型纤维。
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