T700碳纤维复合材料预浸料微波固化试验

随着科学技术的不断革新和发展，碳纤维复合材料的使用范围也变得越来越广泛，例如航空航天、交通运输、汽车与造船等领域[1-2]。然而，碳纤维复合材料的传统固化方法存在着固化产物质量不均匀、温度梯度大、固化周期长等问题[1-2]。微波固化技术的出现为解决上述问题提供了解决方案。在碳纤维复合材料固化方面，微波固化技术因其独特的加热机理使得固化过程加热均匀，固化效率大大提高，固化产物的性能得到了改善。为推进微波固化技术的工业化应用，国内外研究者采取众多的研究方法对微波固化产物的性能进行了研究。Joshi等通过研究发现微波固化与热固化结合的方法比采用高压釜固化快2.5倍，能量消耗仅为高压釜固化的1/4，而且产物的拉伸和弯曲性能要优于高压釜固化产物的相关性能[3]。国内的研究者通过改造现有热固化设备，在传统的热固化设备高压罐中引入微波，也得到了相比于传统高压釜固化力学性能更好的产物[4-5]。国内的李迎光等研究者针对微波难以穿透和加热多向碳纤维增强树脂基复合材料的问题展开了研究，并提出了一种利用金属条激发垂直穿透微波的新方法，可以直接加热多向碳纤维增强聚合物复合材料[6]。陈平[7]和马仁利[8]等通过研究发现微波固化技术不仅会缩短固化时间而且不会改变产物内部结构。张青等通过改进微波固化工艺得到了孔隙率更低的产物，而且力学性能与热固化产物基本相当[9]。王大为等通过改进改性双马树脂及复合材料的微波固化工艺，得到了与热压罐工艺性能相当的固化产物[10]。梳理文献发现，国内在对微波固化过程中材料的各项性能进行实时监测进而解释微波固化产物性能变化方面报道较少。为进一步研究微波固化过程中材料温度变化以及应变变化对材料性能的影响，本文使用相同的固化工艺分别对层合板进行热固化以及微波固化实验，利用T700碳纤维复合材料预浸料制作层合板试件，在试件中埋入FBG传感器和荧光光纤传感器，监测层合板的微波固化过程以及热固化过程，通过对微波固化和热固化后试件的温度分布、应变变化进行对比分析以及分别对其进行DSC测试和拉伸性能测试，研究碳纤维复合材料预浸料微波固化后的力学性能变化及其机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料和设备

威海光威复合材料公司生产的单向T700碳纤维预浸布是本次试验的原材料，厚度为0.2 mm，纤维单位面积质量100 g/m2，树脂含量30%。传感器选择FBG传感器和荧光光纤传感器；选用METTLER TOLEDO公司的DSC822型DSC测试仪测试固化产物的固化度；选用深圳新三思材料检测公司的CMT 5205型电子万能试验机开展拉伸试验；选用重庆银河试验仪器有限公司的热固化试验设备LR016型电烘箱开展热固化试验；微波固化装置频率为2.45 GHz，功率为 10 kW，自研制。

1.2 光纤埋入与固化工艺

为了监测固化过程中的温度均匀度和应变变化，将FBG传感器(S1，S2，T1，T2)分为两组，其中T1与T2分别用毛细玻璃管封装。首先对试验用的FBG传感器进行热敏感系数和应变敏感系数的测定，本文依据文献[11]中提供的试验方法对本文所用的FBG传感器进行了热敏感系数和应变敏感系数的标定，经多组试验测试得到的应变敏感系数为1.2 pm/με，热敏感系数如表1所示。

将分组后的FBG传感器垂直于纤维方向分别埋入200 mm×250 mm×3 mm的热固化和微波固化单向[0，15]碳纤维复合材料层合板，FBG最终的铺设方式为[O7，FBG，O8]。同时，为监测碳纤维复合材料层合板表面微波固化过程中的温度变化，将三根荧光光纤传感器(Y1，Y2，Y3)等距地粘贴在层合板表面A、B、C三点处。图1所示为传感器在微波固化试件中的位置。

层合板的热固化工艺为80 ℃/1 h+120 ℃/1.5 h，升温速率为1 ℃/min。对层合板进行微波固化时，保温温度和时间与热固化一致，升温速率通过改变微波功率来控制。热固化与微波固化过程中均采用真空袋辅助施压来对固化过程加压，以保证固化产物性能。图2所示为真空袋辅助系统示意图。图3所示为层合板正在微波固化。

1.3 性能测试

1) DSC测试：以未固化的层合板为参考，分别对热固化试件和微波固化试件进行固化度测试。具体方法为：升温速率10 ℃/min，温度变化范围25～300 ℃，氮气气氛，50 mL/min。

2) 拉伸性能测试：依据国标( GB/T 3354—2014)制作相应的拉伸试件并进行拉伸性能测试。

2 结果与分析

2.1 微波加热机理

微波对碳纤维复合材料的加热机理与常规的加热方式不同。碳纤维复合材料常规的加热方式是通过外部热源产热，热量以热传导的方式传递给被加热物体，使得碳纤维复合材料固化[1]。微波对碳纤维复合材料的加热是“体加热”。微波作用于碳纤维复合材料，使得碳纤维复合材料自身产热，加热效率比常规的加热方式有了很大的提升[2]。微波加热碳纤维复合材料的热源主要有两个：一是微波对碳纤维复合材料树脂基体的作用。在碳纤维复合材料的树脂基体中存在大量的极性分子。极性分子在变化的电场中会发生转向极化，直至与电场方向一致。微波场中，无序排列的极性分子在方向和大小交替变化的电磁场的作用下，不间断的进行转向极化，在极化过程中极性分子之间相互碰撞摩擦，将电磁能转化为热能[2]。二是由于碳纤维具有较高的介电性能，微波场作用于碳纤维使其产生感应电流，电流流经介质引起介质发热，将热量传递给周围的树脂基体，从而加热树脂基体[2]。以上两项热源使得微波加热比常规加热速率更快，也使得微波加热物体均匀性更好。

2.2 固化过程中的温度变化分析

如图4所示，在第一保温平台上，微波固化和热固化的温度变化没有明显差异。第二升温阶段，微波固化试件与热固化试件的升温曲线较为一致。当达到 120 ℃保温平台时，热固化试件的温度继续上升直至130 ℃，而后降至120 ℃保温。与热固化试件相对比，微波固化试件在保温阶段温度有一定起伏变化。对以上现象进行分析认为，在热固化过程中由于热传导的加热方式，在试件达到保温温度时，电烘箱的腔体温度并未达到相应的保温温度，电烘箱仍然继续工作，因此，热固化过程出现了130 ℃的峰值温度。在第二保温阶段，热固化在保温后期的温度较为稳定，微波固化温度上下波动。分析认为，热固化是传导加热，通过加热空气和模具将温度传导至试件，电烘箱炉腔内的温度均达到120 ℃，保温控制效果较好。然而，微波固化具有选择性加热的特点，在腔体内部试件吸收了绝大多数的微波能，腔体内部的其余部件几乎不被加热，在试件与空气之间将会形成换热，故使得温度波动较大；其次，微波固化过程的保温阶段，当达到预设的保温温度后，微波功率降低，此时没有外界热源加热，试件与外界环境存在温度梯度，导致温度的变化响应更快，降温幅度更大，因此在保温阶段微波固化过程出现了锯齿形的升降温现象。微波固化试件在降温时由于内外温差较大，所以速率较快。

如图5所示，在两个温度上升的阶段和第一保温平台，微波固化试件内部温度与表面温度基本一致。在第二保温阶段，由于微波功率变化较大，而且微波固化试件表面与空气换热较为明显，因此试件内部与表面温度出现了一定的温度差。在微波固化试件表面A、B、C三个监测点的温度在固化过程中的变化趋势基本一致，排除掉测量误差，同时刻温度差异在±2 ℃之内，说明在层合板在微波固化过程中层合板外表面整体温度分布较为均匀，这有利于保证固化产物的性能。分析认为，一方面，由于碳纤维介电损耗因子较高，在微波辐照的作用下，通过碳纤维的电导损耗将微波能转化为热能耗散在材料内部，材料整体被加热，使得加热较为均匀，材料沿厚度方向温度梯度较小；另一方面，预浸料中的环氧树脂等极性分子在微波的作用下，产生转向极化，极性分子的碰撞、碰磨也会产生一部分热量。微波具有较强的穿透性，并且碳纤维复合材料板件较薄，微波可以同时作用于材料不同厚度及不同位置，会在试件内部形成均匀的温度场和固化度场，从而实现“整体加热”。

2.3 固化过程中应变变化分析

图6和图7所示为热固化试件内部和微波固化试件内部在固化过程的应变变化情况。如图6所示，在升温阶段，热固化试件内部的应变逐渐减小，变化幅度较小；当达到第二保温阶段时，固化反应的化学收缩使得试件内部出现了收缩应变；固化反应结束之后，试件开始冷却，材料内部的收缩应变持续增大，最终达到了-6 258 με。

如图7所示，微波固化试件内部在升温阶段出现了一定的应变变化，变化幅度较小；在保温阶段，微波固化试件内部出现了化学收缩引起的收缩应变；但在冷却阶段，相比于热固化试件，微波固化试件应变变化幅度较小，最终内部应变为-83 με。对比两种固化方式下的试件内部应变变化发现，微波固化产物的固化残余应力远小于热固化产物。在对图5微波固化试件表面温度与试件内部温度的分析中得出了微波固化可以降低试件内外温度梯度，在试件内部形成较为均匀的温度场以及固化度场，从而减少了热应力以及固化收缩应力，因此使得微波固化试件的残余应变远小于热固化试件的残余应变。说明微波固化在改善材料性能方面会发挥积极的作用。

2.4 DSC测试结果分析

从图8未固化、微波固化和热固化产物的DSC测试结果可看出未固化产物有明显的放热峰，经过固化之后，热固化以及微波固化产物均未出现放热峰，说明本次实验的两种固化方式均已将试件完全固化。

2.5 拉伸性能测试结果分析

图9与图10所示为对热固化试件和微波固化试件进行拉伸性能测试得到的结果。对样本中的数据取平均值得到表2中热固化产物与微波固化产物的弹性模量与拉伸强度。产物相较于热固化产物性能以及性能的离散性更好。

由表2可得，经微波固化后的试件弹性模量与拉伸强度均稍高于经热固化后的试件弹性模量和拉伸强度。在拉伸破坏应变方面，热固化试件要稍高于微波固化试件。经微波固化后的产物拉伸强度的离散系数为2.19%，拉伸模量的离散系数为1.82%，均小于经热固化后的产物拉伸模量和拉伸强度的离散系数。分析认为，在微波固化过程中，由于碳纤维在微波照射后响应快，而且固化过程中碳纤维的电导加热起了很大作用，从而使得在碳纤维与树脂接触面受热充分，在试件内部形成了均匀的温度场以及固化度场，从而减少了热应力以及固化应力的产生，使得微波固化产物中固化残余应力较小，使得试件性能较为均匀，提升了产物的质量。因此微波固化

3 结论

1) 微波固化与热固化过程应变变化趋势基本相同，微波固化试件内部的最终应变为-83 με，远远小于热固化试件的-6 258 με。表明在降低固化产物的固化残余应变方面，微波固化相比于热固化有一定的优势。

2) 微波固化试件的拉伸强度和拉伸模量分别为1 626.34 MPa和118.04 GPa均高于热固化试件的1 580.17 MPa和112.35 GPa，而且微波固化试件的拉伸强度与拉伸模量离散系数分别为2.19和1.82均小于热固化试件的6.16和5.27。说明微波固化的“体加热”可以使试件固化更为均匀，试件固化质量更好，有利于提升产物的拉伸性能。

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