申宏旋，毛丽贺

(1.天津工业大学 纺织学院，天津 300387；2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)

国产碳纤维与东丽碳纤维的性能

申宏旋1,2，毛丽贺1,2

(1.天津工业大学 纺织学院，天津 300387；2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)

对国产碳纤维和东丽碳纤维的拉伸性能和耐磨性进行了测试分析。结果表明，国产碳纤维拉伸断裂点位移较大，拉伸后形貌呈蓬松状，耐磨性较差，且摩擦后毛羽量较多；纤维表面有较多缺陷容易产生应力集中，需改进单丝生产工艺并寻求合适上浆剂进行后处理。

国产碳纤维；东丽碳纤维；拉伸性能；表面形貌

高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等特点，已成为发展先进武器装备的关键材料，在航空航天、国防军工、体育休闲等领域得到了广泛应用[1-3]。随着复合材料的迅速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%。

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，发展始70年代，80年代开始研究高强型碳纤维，虽然进步缓慢，也有一定的发展[4]。近几年来，我国碳纤维产业发展迅速[5]，目前已有30多家企业和科研院涉足碳纤维生产及研发[6]，河南永煤碳纤维有限公司生产的MT300C-3K碳纤维，主要技术指标已经达到国际通用的T300产品标准。但是国产碳纤维存在原丝生产技术不过关，纤维稳定性和均匀性较差，产品有较多的孔隙和缺陷，杂质成分高，碳纤维性能较差[7]。本文主要通过国产碳纤维与东丽碳纤维性能的对比，找到国产碳纤维与国际上优良产品的差距，以寻求合适的解决方法，促进我国碳纤维行业的发展。

1 试验部分

1.1 原料

国产聚丙烯腈基碳纤维(MT300C-3K)，河南永煤碳纤维有限公司生产；日本东丽碳纤维(T300B-3K)，东丽碳纤维有限公司生产。

1.2 性能测试

拉伸性能测试按照GB/T3362-2005标准制成试样，在华龙WDW-20型万能材料试验机上进行束纤维拉伸强度测试,试验加载速度设定为2 mm/min，每个样品测量10次。根据ZBW0404005-89《纱线耐磨试验方法往复式磨辊法》标准，在自制耐磨仪上进行纤维耐磨性能的测试。砝码为50 g，偏心转轮转速为120 r/min，用600目砂纸包覆，进行相对往复摩擦运动，纤维断裂时的运动次数即为耐磨次数。用显微镜观察纤维摩擦后表面毛羽情况。

2 结果和分析

2.1 拉伸性能

拉伸试验是在岛津拉伸试验机上进行的，如图5所示，拉伸试验结果可以直接在电脑上记录。通过图1和图2可以看出，同样是3K的碳纤维，国产碳纤维的拉伸强度略微大于东丽碳纤维的拉伸强度，同时由试验数据可以得出国产碳纤维拉伸断裂时载荷最大为77.58 N，东丽碳纤维拉伸断裂时的载荷最大值为73.92 N。但是国产碳纤维断裂点位移较大，这是因为国产碳纤维单丝的拉伸强度存在强烈的不稳定性，各个碳纤维单丝所能承受的最大载荷不一致，导致了在不同的载荷情况下均有纤维断裂，从而使得国产碳纤维断裂点位移较大。

由图3和图4可以看出，东丽碳纤维断裂时集束性仍然较好，而国产碳纤维断裂时多呈蓬松状。这是因为在拉伸过程中，在较低的拉伸载荷情况下，东丽碳纤维基本没有断裂情况，而国产碳纤维中的部分单丝已经开始断裂，导致了最后的断裂形貌的不一致。

2.2 耐磨性

耐磨性测试是在天津工业大学复合材料研究所自制的耐磨仪上测试的，如图6所示。同样的测试条件下，国产碳纤维的耐磨次数为184次，而东丽碳纤维的耐磨次数可达240次。

图1 东丽碳纤维拉伸曲线

图2 国产碳纤维拉伸曲线

图3 东丽碳纤维拉伸后形貌

图4 国产碳纤维拉伸后形貌

从图7和图8可看出，摩擦相同的次数后，东丽碳纤维仍然呈集束状，而国产碳纤维则呈蓬松状，并且东丽碳纤维表面毛羽较少。原因可能有两点：一是国产碳纤维生产过程中的技术问题导致的表面缺陷及瑕疵引起的；二是国产碳纤维的上浆剂性能不好，导致纤维表面比较粗糙，并且纤维集束性较差。

图5 岛津拉伸试验机

图6 自制耐磨仪

图7 东丽碳纤维摩擦后表面形貌

图8 国产碳纤维摩擦后表面形貌

2.3 表面形貌

由图9和图10可以看出：东丽碳纤维和国产碳纤维表面都有不同程度的凹槽，但是东丽碳纤维表面的凹槽较深，有利于纤维与树脂的界面结合。并且东丽碳纤维表面比较均匀，拉伸时不会出现应力集中的现象，因此拉伸性能稳定；而国产碳纤维表面有一定缺陷，拉伸时会出现应力集中，从而导致部分纤维先断裂，有缺陷部分和没缺陷部分的拉伸性能差异也较大。

图9 东丽碳纤维表面形貌

图10 国产碳纤维表面形貌

3 结语

通过拉伸性能的对比可以得出：虽然国产碳纤维丝束整体的拉伸强度与东丽碳纤维相当，但是碳纤维单丝性能极其不稳定，且因为表面缺陷造成的应力集中现象比较明显，造成拉伸断裂点位移相差较多。因此迫切需要改进碳纤维单丝的生产工艺，把性能的稳定性作为重点。

通过耐磨性和表面形貌观察可以得出：国产碳纤维集束性较差，容易产生毛羽，一方面与上浆剂有关，另一方面与表面粗糙度有关。在后处理过程中，如果寻求合适的上浆剂对碳纤维进行表面处理会对碳纤维的各方面性能都有所改进。

[1] 贺 福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社,2004.

[2] 刘雄亚，欧阳国恩.透光复合材料、碳纤维复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社,2006.

[3] 贺 福，王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京：科学出版社，1995.

[4] 孙 敏.碳纤维技术发展及应用分析[J].煤炭加工与综合利用,2014,(8),14-23.

[5] 江润喜.碳纤维的发展现状[J].合成技术与应用，2010,25(1):28-33.

[6] 付 瑶，蒋元力,曹国喜.国产碳纤维与东丽碳纤维与PP复合材料性能的对比研究[J].化工新型材料，2014,42(6)：152-159.

[7] 陈 丽.碳纤维微观结构表征与性能分析[D].绵阳：西南科技大学，2015.

Properties of Domestic Carbon Fiber and Dongli Carbon Fiber

SHEN Hong-xuan1, 2, MAO He-li1, 2

(1.School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.Key Laboratory of Advantage Textile Composite of Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The tensile and abrasion performances of domestic carbon fiber and Dongli carbon fiber were tested. The results showed that the tensile fracture displacement of the domestic carbon fiber was larger. After stretching, morphology was fluffy. The abrasion resistance was poor, and the hairiness was larger after friction. There were many defects on the fiber surface, and stress concentration was easy to occur. It was urgent to improve monofilament production process and seek the proper sizing agent for post-treatment.

domestic carbon fiber; Dongli carbon fiber; tensile properties; surface topography

2017-04-10

申宏旋(1991-),女,硕士，主要研究领域：碳纤维表面改性,E-mail:shenhongxuan2005@163.com。

TS102.4

A

1673-0356(2017)06-0035-03