一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法技术

本发明专利技术属于树脂基复合材料中碳纤维力学性能表征技术领域，提供了一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法。本发明专利技术待树脂溶液浸润纤维丝束，在浸润树脂溶液的纤维丝束上施加张力，避免了因树脂溶液浸润导致的纤维丝束弯曲的情况，且消除了树脂层的内部孔隙，提高了表面生长纳米碳材料的碳纤维浸胶复丝的尺寸均匀性，进而提高了扭转测试的准确度。本发明专利技术通过对表面生长纳米碳材料的碳纤维浸胶复丝的抗扭转强度和抗扭转模量内涵的揭示，为表面生长纳米碳材料的碳纤维/树脂多级界面性能的表征与界面结构的分析提供了更多选择。本发明专利技术严格控制扭转试验的长度，提高了扭转测试的准确性。提高了扭转测试的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法


[0001]本专利技术涉及树脂基复合材料中碳纤维力学性能表征
，尤其涉及一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法。

技术介绍

[0002]近年来，复合材料的高速发展为航空、航天、船舶、汽车、能源、高端体育用品等工业领域带来了新的发展机遇与持续挑战。连续纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、密度低、耐腐蚀性强、耐疲劳性好以及结构可设计性强等优点，在各个工业领域受到持续广泛的关注。这其中，碳纤维是最常用的纤维之一，作为复合材料中的增强体，碳纤维是承担外载荷的主体，准确表征评价碳纤维相关的力学性能，是后续进行复合材料设计与制造的重要前提与保证。
[0003]但是碳纤维复合材料应用时易在面外方向载荷的复杂作用下产生损伤并破坏，这与碳纤维/树脂的界面性能，以及纤维/树脂的协同形变等行为密切相关。因此，近年来学者们采用碳纤维浸胶复丝这种小尺寸复合材料开展压缩和扭转行为研究。如碳纤维浸胶复丝压缩性能的表征评价方法(周雷,顾轶卓,邱学仕,et al.碳纤维复丝压缩性能测试方法[J].复合材料学报,2015,32(005):1436
‑
1444.)，注重于考察碳纤维丝束承受沿轴向压缩载荷时的性能表现。然而，碳纤维是一种无机脆性材料，在轴向压缩作用下易产生屈曲变形和失稳，造成纤维提前破坏，加之纤维内部石墨微晶均沿轴向取向，其径向作用能低。这使得碳纤维复合材料沿径向方向的力学性能远低于轴向方向，同时轴向压缩性能也明显低于轴向拉伸。此外，连续碳纤维增强复合材料中碳纤维间仅靠树脂粘结，其垂直纤维方向的强度往往仅有平行纤维方向的5～10％。因此，研究者也进一步通过表面生长碳纳米材料的方法对碳纤维进行表面改性，通过构建纳米级的碳纳米材料/树脂界面和微米级的碳纤维/树脂界面，并通过碳纳米材料与纤维的结合桥梁形成纳米改性碳纤维/树脂多级界面，以期进一步提升纤维/树脂界面性能，从而提升其垂直纤维方向的力学性能。但是，纳米级界面的引入也使得纤维/树脂界面的构成进一步复杂化。
[0004]有鉴于此，亟待发展表面生长纳米碳材料的碳纤维及其浸胶复丝径向方向力学性能的表征评价方法，并以此评价与径向力学性能密切相关的表面生长纳米碳材料的碳纤维/树脂界面性能，揭示纳米
‑
微米多级界面的协同变形机制，为表面生长纳米碳材料的碳纤维的进一步商业化应用奠定基础。
[0005]表面生长纳米碳材料的碳纤维复丝的扭转破坏过程包含了纳米碳材料/树脂界面的破坏、纤维/树脂整体界面的破坏以及界面脱粘后纤维扭断造成的试样整体破坏等多种情形，由纳米尺度扩展到微米尺度的界面破坏引起的纤维/树脂脱粘是扭转破坏的根本原因，通过评价其抗扭转性能，能够实现碳纤维径向方向力学性能和碳纤维/树脂界面性能的评价与考察，并能够分析表面生长纳米碳材料的碳纤维/树脂的协同变形机制，是一种合适的碳纤维径向力学性能评价方式。
[0006]然而，尽管复合材料行业内已经建立了针对纤维浸胶复丝的拉伸性能表征评价方法和压缩性能表征评价方法，但并未有明确的样品制备及测试方法来表征碳纤维浸胶复丝的扭转性能。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法。本专利技术的测试方法能够准确测试表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间的抗扭转强度和抗扭转模量。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法，包括以下步骤：
[0010]将树脂、固化剂与稀释剂混合，得到树脂溶液；
[0011]将表面生长纳米碳材料的碳纤维丝束缠绕在丝束缠绕架上，形成多段纤维丝束；调整丝束缠绕架使所述纤维丝束竖直；从所述纤维丝束的上端滴加树脂溶液；待树脂溶液浸润纤维丝束，在浸润树脂溶液的纤维丝束上施加张力后，水平放置纤维丝束进行溶剂挥发和树脂固化，得到表浸胶复丝；
[0012]将所述浸胶复丝制备成扭转试样；
[0013]对所述扭转试样进行扭转性能测试，得到浸胶复丝的抗扭转强度和抗扭转模量。
[0014]优选地，所述树脂溶液中树脂的质量分数为40～60％。
[0015]优选地，每根纤维丝束滴加的树脂溶液的体积V
r
按照公式1计算得到：
[0016][0017]公式1中：V
r
为每根纤维丝束滴加的树脂溶液的体积，单位为cm3；
[0018]ρ
f
为浸胶复丝的线密度，单位为g/m；
[0019]l为丝束缠绕架两端的距离，单位为m；
[0020]m
f
为期望的浸胶复丝中树脂的质量分数，无量纲；
[0021]ω为树脂溶液中树脂的质量分数，无量纲；
[0022]ρ
r
为树脂溶液的密度，单位g/cm3。
[0023]优选地，所述表面生长纳米碳材料的碳纤维丝束为通过化学气相沉积法将纳米碳材料生长在碳纤维表面上得到；所纳米碳材料包括碳纳米管和/或石墨烯纳米材料。
[0024]优选地，所述丝束缠绕架的缠绕辊凹槽为缠绕辊圆形凹槽；所述缠绕辊圆形凹槽的直径为0.3mm～3mm；所述丝束缠绕架的两端之间距离为150mm～400mm。
[0025]优选地，以单根纤维丝束承受的张力计，所述张力的大小为1N～25N。
[0026]优选地，所述溶剂挥发在恒温恒湿环境下静置；所述恒温恒湿环境的温度为15℃～30℃，湿度为30％RH～50％RH；所述静置的时间为0.5～3h。
[0027]优选地，所述扭转试样的长度L
f
通过公式2计算得到：
[0028]L
f
＝R
·
D
f
+2L
c
ꢀꢀꢀ
公式2
[0029]公式2中：L
f
为扭转试样的长度，单位为mm；R为扭转试样测试段长径比，无量纲；D
f
为浸胶复丝的平均直径，单位为mm，L
c
为扭转试样的预留夹持端保护长度，单位为mm。
[0030]优选地，所述扭转性能测试的条件包括：扭转载荷范围为0～100N
·
mm，扭矩精度为
±
0.01N
·
mm，扭转角度精度为
±
0.01
°
，扭转速率范围为0～720
°
/min，加热温度为20～300℃。
[0031]优选地，所述浸胶复丝的抗扭转强度τ通过公式3计算得到：
[0032][0033]公式3中，τ为浸胶复丝的抗扭转强度，单位为MPa；T为扭转试样破坏最大扭矩，单位为N
·
mm；D
f
是浸胶复丝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表征表面生长纳米碳材料的碳纤维与树脂之间多级界面性能的扭转测试方法，其特征在于，包括以下步骤：将树脂、固化剂与稀释剂混合，得到树脂溶液；将表面生长纳米碳材料的碳纤维丝束缠绕在丝束缠绕架上，形成多段纤维丝束；调整丝束缠绕架使所述纤维丝束竖直；从所述纤维丝束的上端滴加树脂溶液；待树脂溶液浸润纤维丝束，在浸润树脂溶液的纤维丝束上施加张力后，水平放置纤维丝束进行溶剂挥发和树脂固化，得到表浸胶复丝；将所述浸胶复丝制备成扭转试样；对所述扭转试样进行扭转性能测试，得到浸胶复丝的抗扭转强度和抗扭转模量。2.根据权利要求1所述的扭转测试方法，其特征在于，所述树脂溶液中树脂的质量分数为40～60％。3.根据权利要求1或2所述的扭转测试方法，其特征在于，每根纤维丝束滴加的树脂溶液的体积V
r
按照公式1计算得到：公式1中：V
r
为每根纤维丝束滴加的树脂溶液的体积，单位为cm3；ρ
f
为浸胶复丝的线密度，单位为g/m；l为丝束缠绕架两端的距离，单位为m；m
f
为期望的浸胶复丝中树脂的质量分数，无量纲；ω为树脂溶液中树脂的质量分数，无量纲；ρ
r
为树脂溶液的密度，单位g/cm3。4.根据权利要求1所述的扭转测试方法，其特征在于，所述表面生长纳米碳材料的碳纤维丝束为通过化学气相沉积法将纳米碳材料生长在碳纤维表面上得到；所纳米碳材料包括碳纳米管和/或石墨烯纳米材料。5.根据权利要求1所述的扭转测试方法，其特征在于，所述丝束缠绕架的缠绕辊凹槽为缠绕辊圆形凹槽；所述缠绕辊圆形凹槽的直径为0.3mm～3mm；所述丝束缠绕架的两端之间距离为150mm～400mm。6.根据权利要求1所述的扭转测试方法，其特征在于，以单根纤维丝束承受的张力计，所述张力的大小为1N～25N。7.根据权利要求1所述的扭转测试方法，其特征在于，所述溶剂挥发在恒温恒湿环境下静置；所述恒温恒湿环境的温度为15℃～30℃，湿度为30％RH～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，顾轶卓，李天舒，王绍凯，魏化震，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：