干喷湿纺T800G碳纤维的表面粗糙度与皮芯结构对碳纤维增强复合材料抗冲击性能的影响

1 引言

碳纤维复合材料因具有高比强度、高比模量与强可设计性，已成为高端装备减重增效的关键材料。碳纤维作为复合材料的主要承载骨架，其微观结构特征直接决定与基体的界面结合状态，进而影响复合材料宏观力学性能与损伤容限。近年来，高性能碳纤维制备技术取得突破，T800G碳纤维逐步实现工程化应用。但在复合材料整体性能方面，碳纤维强度转化效率仍较低。研究表明，该问题不仅与碳纤维表面化学活性相关，更受其多尺度结构协同作用支配。揭示从碳纤维微观结构到界面行为、再到宏观性能的跨尺度构效关系，对推动碳纤维复合材料性能提升具有重要科学意义与工程价值。

在碳纤维复合材料力学性能调控中，碳纤维表面形貌与纤维–基体界面性能的关系是研究热点之一。传统观点认为，碳纤维表面粗糙度越高，通过机械互锁作用增强界面结合，可改善复合材料层间性能与冲击韧性。相关研究表明，碳纤维表面粗糙度提高可显著降低复合材料裂纹萌生与扩展速率，促进裂纹沿界面扩展，吸收更多断裂能。但近期研究表明，过度追求碳纤维高表面粗糙度可能导致纤维–基体界面结合过强，进而引发界面提前失效。另有研究指出，当碳纤维表面沟槽深度超过临界阈值，树脂基体无法完全浸润沟槽根部，显著降低界面载荷传递效率。这表明碳纤维表面形貌对纤维–基体界面性能的影响呈非线性关系。

此外，碳纤维皮芯结构作为制备工艺产生的固有特征，其对复合材料性能的潜在影响长期被忽视。皮芯结构不均匀性会导致碳纤维轴向力学性能不均，外部载荷作用下，芯部缺陷易成为裂纹萌生优先位置。相关研究通过调控碳纤维制备工艺弱化皮芯结构，提升径向均匀性。另有研究基于广义单元法建立纤维–基体界面多尺度模型，证实皮芯结构的刚度与厚度显著影响复合材料剪切强度。

然而，现有研究多单独关注碳纤维表面形貌或皮芯结构的影响，对二者协同作用的探索有限。干喷湿纺T800G碳纤维因其复合材料优异性能，成为航空航天主承力结构关键材料，该工艺进一步放大了碳纤维微观结构对最终复合材料性能的影响。目前对该类微观结构与环氧树脂适配性的认识不足，导致T800G碳纤维实际应用中难以达到理想设计窗口。因此，建立碳纤维表面形貌、皮芯结构与复合材料关键力学性能间的清晰映射关系，对实现强度与损伤容限同步提升至关重要。

冲击后压缩性能（CAI）是碳纤维复合材料关键韧性指标与设计许用值，直接决定结构使用极限与材料技术代际提升。本研究选用两种T800G碳纤维（CF-low与CF-high），采用多尺度表征方法，系统研究纤维表面形貌与皮芯结构对其复合材料CAI性能的影响，为T800G碳纤维复合材料的设计与应用提供理论依据。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

本研究采用中国威海拓展纤维有限公司生产的干喷湿纺T800G碳纤维，制备工艺示意图如图1所示。纺丝液经喷丝板挤出后，先通过空气层再进入凝固浴，发生双扩散与相分离，随后纤维经预氧化、碳化处理制得最终碳纤维。仅通过微调凝固浴浓度，获得两种具有不同微观结构特征的碳纤维，测试所得典型性能如表1所示。为消除上浆剂对纤维微观结构研究的干扰，使用前采用溶剂对碳纤维进行脱浆处理。基体采用航空工业复合材料技术中心研发的高韧性环氧树脂，测试所得典型性能如表2所示。在100~130 ℃条件下采用环氧树脂浸渍碳纤维制备预浸料，整体制备流程如图2所示。

表1 碳纤维基本性能

表2 基体基本性能

图1 干喷湿纺工艺示意图

图2 碳纤维复合材料制备流程

2.2 碳纤维表面形貌测试

采用Quanta450 FEG场发射扫描电子显微镜（SEM）观察碳纤维二维表面形貌。采用Dimension ICON原子力显微镜（AFM）定量纳米力学性能测试模式观察碳纤维三维表面形貌，获取表面粗糙度算术平均值（Ra）与均方根值（Rq）。通过标定刚性探针在选定区域获取力–曲线阵列，确定局部压缩模量值。

2.3 碳纤维皮芯结构测试

采用SEM-拉曼联用系统测试碳纤维径向皮芯结构。测试前，采用环氧树脂将碳纤维包埋固化，置于液氮中脆断，经打磨、抛光、清洗后，使用532 nm激光沿纤维径向扫描。叠加SEM与拉曼数据，提取峰强比（ID/IG）作为石墨化程度评价指标，示意图如图3所示。

图3 SEM-拉曼成像示意图：(a,b)试样制备；(c)测试；(d)纤维径向网格扫描；(e)典型结果

2.4 复合材料落锤冲击（DWI）与冲击后压缩（CAI）测试

按照ASTM D 7136标准，在Instron 9440试验机上进行落锤冲击测试。采用直径16 mm半球形钢冲头，以6.67 J/mm能量冲击复合材料中心，测试后测量压痕深度并进行C扫描检测。按照ASTM D 7137标准进行CAI测试，在Instron 5982试验机上进行，当复合材料失效或载荷下降至最大载荷的30%时停止测试，每组测试至少获得5组有效数据。

3 结论

本研究阐明了干喷湿纺T800G碳纤维微观结构差异对复合材料冲击后压缩性能（CAI）的影响。结果表明，尽管CF-low具有更高的表面粗糙度（323 nm vs 221 nm），但其更强的界面结合并未转化为更优的抗冲击性能，相同测试条件下复合材料损伤更严重。该差异主要归因于纤维–基体界面（FMI）与纤维结构的协同调控。CF-low复合材料失效以纤维脆性断裂为主，强界面结合抑制冲击过程能量耗散，碳纤维显著的“硬壳软芯”皮芯结构加剧应变不匹配，引发以纤维芯部塌陷为主的失效，最终形成强界面–刚性载荷传递–纤维脆性断裂的连锁反应。相比之下，CF-high复合材料通过适中的界面强度实现渐进式损伤扩展，通过界面脱粘、分层与基体开裂有效耗散能量，同时纤维自身韧性提供更优抗塌陷能力。

本研究揭示并验证了仅追求高表面粗糙度与高模量值的碳纤维设计范式在抗冲击场景下的局限性，首次从纤维皮芯结构均匀性与界面相容性协同调控角度阐明复合材料冲击损伤行为的微观机制。通过建立“纤维皮芯结构均匀性/界面相容性/宏观冲击行为”之间的关联，提出兼顾纤维结构均匀化、界面优化与缺陷抑制的新型设计范式，为研发新一代“高强高韧”碳纤维复合材料提供重要理论依据与工艺方向。

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