前言

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能由碳纖維自身與纖維-基體界面共同決定，二者的協(xié)同作用至關(guān)重要。本研究聚焦于微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性對同種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊后壓縮性能的影響，采用兩種干噴濕紡T800G碳纖維（分別標(biāo)記為CF-low與CF-high）展開對比實驗。結(jié)果表明，CF-low雖具有更密集的深軸向溝槽和更高的表面微區(qū)壓縮模量，但其顯著的皮芯結(jié)構(gòu)及機械互鎖形成的過強界面結(jié)合，在受力時會加劇纖維芯部塌陷與應(yīng)力集中。而CF-high憑借其均勻的結(jié)構(gòu)與適中的界面特性，促進了碳纖維與環(huán)氧樹脂間的高效應(yīng)力傳遞。與CF-low復(fù)合材料相比，CF-high復(fù)合材料的沖擊后壓縮強度提升9%，損傷面積減少35%，顯著提升了復(fù)合材料的損傷容限。本研究證實，優(yōu)化纖維特性與界面行為的協(xié)同作用是提升碳纖維復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。

1.簡介

碳纖維增強復(fù)合材料憑借其高比強度、高比模量及強可設(shè)計性，已成為先進裝備實現(xiàn)減重增效的關(guān)鍵材料。碳纖維作為復(fù)合材料的主要承力骨架，其微觀結(jié)構(gòu)特征直接決定了與基體的界面結(jié)合行為，進而影響復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能與損傷容限。近年來，高性能碳纖維制備技術(shù)的突破推動了T800G級碳纖維逐步實現(xiàn)工程化應(yīng)用，但在復(fù)合材料整體性能層面，纖維的強度轉(zhuǎn)化效率仍相對較低。研究表明，這種差異不僅與纖維表面化學(xué)活性相關(guān)，更受其多尺度結(jié)構(gòu)特征的協(xié)同效應(yīng)調(diào)控。探究從碳纖維微觀結(jié)構(gòu)到界面行為，最終至宏觀性能的多尺度構(gòu)效關(guān)系，對推動碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)化具有重要科學(xué)價值與工程意義。

在碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能調(diào)控中，纖維表面形貌與界面性能的關(guān)聯(lián)機制是研究焦點之一。傳統(tǒng)觀點認為更高的纖維表面粗糙度可通過機械互鎖增強界面結(jié)合，從而提升復(fù)合材料層間性能與沖擊韌性。研究證實較高表面粗糙度的碳纖維可顯著降低復(fù)合材料裂紋萌生擴展速率，促進裂紋沿界面擴展，實現(xiàn)更大斷裂能吸收。然而最新研究表明，過度追求高表面粗糙度可能導(dǎo)致纖維-基體界面結(jié)合過強，反而引發(fā)界面過早失效。進一步指出，當(dāng)碳纖維表面溝槽深度超過臨界閾值時，樹脂基體對溝槽根部的浸潤不完整會顯著降低界面載荷傳遞效率，這表明碳纖維表面形貌對界面性能的影響呈現(xiàn)非線性特征。

此外，碳纖維制造過程中固有的皮芯結(jié)構(gòu)特性對其復(fù)合材料性能的潛在影響長期被忽視。皮芯間的異質(zhì)性會導(dǎo)致碳纖維軸向力學(xué)性能的非均勻性，在外載荷作用下，位于纖維芯部的缺陷可能成為裂紋萌生的優(yōu)先點位。通過調(diào)控碳纖維制備工藝，刻意弱化其皮芯結(jié)構(gòu)以增強徑向均勻性?；趶V義胞元的纖維-基體界面多尺度模型，證實皮芯結(jié)構(gòu)的剛度與厚度顯著影響復(fù)合材料剪切強度。

然而現(xiàn)有研究多聚焦于碳纖維表面形貌或皮芯結(jié)構(gòu)的孤立效應(yīng)，對二者協(xié)同作用的探索仍顯不足。采用干噴濕紡工藝制備的T800G碳纖維因其復(fù)合材料性能優(yōu)勢，已成為航空主承力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，該工藝進一步凸顯了纖維微觀結(jié)構(gòu)對最終復(fù)合材料性能的影響。當(dāng)前對該類微觀結(jié)構(gòu)特征與環(huán)氧樹脂體系適配性認知的不足，常導(dǎo)致T800G碳纖維在實際應(yīng)用中偏離理想設(shè)計窗口。建立纖維表面形貌、皮芯結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料關(guān)鍵力學(xué)性能的明晰映射關(guān)系，對實現(xiàn)強度與損傷容限的同步提升至關(guān)重要。

沖擊后壓縮性能作為復(fù)合材料關(guān)鍵韌性指標(biāo)與設(shè)計許用值，直接界定結(jié)構(gòu)使用邊界與材料技術(shù)代際。本研究選取兩種T800G碳纖維，通過多尺度表征方法，系統(tǒng)探究纖維表面形貌與皮芯結(jié)構(gòu)對其復(fù)合材料沖擊后壓縮性能的影響機制，以期為T800G級碳纖維復(fù)合材料設(shè)計與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2.材料和方法

2.1材料

本研究采用威海拓展纖維有限公司通過干噴濕紡工藝生產(chǎn)的T800G碳纖維。其制備流程示意圖如圖1所示：紡絲原液經(jīng)噴絲板擠出后，先通過一段空氣層，再進入凝固浴發(fā)生雙擴散和相分離，纖維隨后經(jīng)過預(yù)氧化和碳化處理形成最終碳纖維。僅通過微調(diào)凝固浴濃度，獲得了兩種具有顯著微觀結(jié)構(gòu)差異的碳纖維，其基本性能測試數(shù)據(jù)見表1。為消除上漿劑對纖維微觀結(jié)構(gòu)研究的干擾，使用前采用溶劑對碳纖維進行了去漿處理。所用基體為航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)研究院研制的高韌性環(huán)氧樹脂，其典型性能見表2。采用100–130°C溫度區(qū)間將碳纖維浸漬環(huán)氧樹脂制備預(yù)浸料，整體制備流程如圖2所示。

2.2CF表面形貌測試

采用Quanta450 FEG掃描電子顯微鏡（SEM）（美國FEI公司）觀察碳纖維的二維表面形貌；使用具備定量納米力學(xué)測試模式的Dimension ICON原子力顯微鏡（AFM）（上海爾迪儀器科技有限公司）獲取碳纖維三維表面形貌，并測得表面粗糙度算術(shù)平均值（Ra）與均方根值（Rq）。通過校準(zhǔn)剛性探針在選定區(qū)域采集力-距離曲線陣列，測定局部壓縮模量值。

2.3CF皮芯結(jié)構(gòu)測試

采用SEM-Raman系統(tǒng)測試碳纖維的徑向皮芯結(jié)構(gòu)。測試前，將碳纖維用環(huán)氧樹脂包埋并固化，隨后置于液氮中進行脆性斷裂。經(jīng)打磨、拋光及清潔處理后，使用532 nm激光沿纖維徑向表面進行掃描。通過疊加SEM與Raman數(shù)據(jù)，提取峰強比（ID/IG）作為石墨化程度的表征指標(biāo)，其測試示意圖如圖3所示。

2.4CFRC落錘沖擊與沖擊后壓縮性能測試

采用Instron 9440落錘沖擊試驗機（美國馬薩諸塞州諾伍德），依據(jù)ASTM D7136標(biāo)準(zhǔn)進行落錘沖擊試驗。使用直徑16mm的半球形鋼質(zhì)沖擊頭，以6.67 J/mm的能量沖擊碳纖維復(fù)合材料試件中心，沖擊后測量壓痕深度并進行C掃描檢測。沖擊后壓縮試驗依據(jù)ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)，在Instron 5982試驗機（美國馬薩諸塞州諾伍德）上完成。當(dāng)復(fù)合材料發(fā)生破壞或載荷降至最大載荷的30%時停止試驗，每組試驗至少包含五組有效數(shù)據(jù)。

3.結(jié)果與討論

3.1表面形貌

碳纖維表面形貌對其界面結(jié)合性能起關(guān)鍵作用。如圖4所示的SEM觀測結(jié)果顯示，兩種碳纖維均呈現(xiàn)典型的干噴濕紡結(jié)構(gòu)特征，表面有少量溝槽沿軸向規(guī)則分布。CF-high整體表面較為光滑，具有高度取向的連續(xù)溝槽結(jié)構(gòu)；而CF-low則顯示出更淺且不連續(xù)的軸向溝槽。根據(jù)機械互鎖理論，表面溝槽的數(shù)量和深度均與纖維-基體界面結(jié)合強度呈正相關(guān)。

圖5展示了兩種碳纖維的典型原子力顯微鏡測試結(jié)果。CF-low表面呈現(xiàn)顯著的溝槽結(jié)構(gòu)，其粗糙度算術(shù)平均值約為323 nm；相比之下，CF-high表面溝槽較淺，粗糙度降至221 nm，表明CF-low具有更顯著的峰谷異質(zhì)形貌?；诹?位移曲線測試，CF-low的表面壓縮模量（649 MPa）顯著高于CF-high（187 MPa）。

圖6對兩種碳纖維的表面粗糙度與壓縮模量進行了統(tǒng)計分析。CF-low的表面粗糙度（Ra與Rq）及表面壓縮模量值均高于CF-high。圖6c揭示了表面粗糙度與壓縮模量之間的正相關(guān)關(guān)系——粗糙度越大的纖維表現(xiàn)出更高的模量值。這可能是由于壓縮模量對溝槽結(jié)構(gòu)（如尖銳峰谷或深溝）的敏感性，從而放大了表面模量的測量值。

3.2皮芯結(jié)構(gòu)

采用拉曼光譜對碳纖維表面石墨化程度進行表征（圖7）。CF-low的D峰與G峰平均強度分別為3133 a.u.和3383 a.u.，ID/IG值約為0.93；CF-high的D峰強度為3972 a.u.，G峰強度為3281 a.u.，ID/IG值約為1.21。結(jié)果表明CF-low的表面石墨化程度高于CF-high。

SEM-Raman聯(lián)用測試結(jié)果如圖8所示。從表皮到芯部，顏色映射逐漸由綠色過渡至藍色再轉(zhuǎn)為紅色，同時ID/IG值逐漸增大，表明石墨化程度由外向內(nèi)遞減。圖像分析顯示CF-low在皮芯交界處存在更明顯的過渡區(qū)，而CF-high則呈現(xiàn)相對均勻的徑向石墨化分布，皮芯差異較小，整體纖維結(jié)構(gòu)更均質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)差異主要源于低濃度凝固浴會促進致密表皮層快速形成，但同時阻礙了溶劑向外擴散與非溶劑向內(nèi)滲透，導(dǎo)致芯部相分離延遲，從而放大皮芯間結(jié)構(gòu)差異并加劇皮芯異質(zhì)性。

與CF-high相比，CF-low展現(xiàn)出更高的表面石墨化程度（ID/IG值0.93對比1.21），但其皮芯結(jié)構(gòu)更為顯著。具有明顯皮芯結(jié)構(gòu)的碳纖維通常在其表層表現(xiàn)出更高的模量，這使其在低至中等載荷下具備更優(yōu)的初始力學(xué)性能（強度、模量）。然而，隨著施加應(yīng)力的增加，芯部區(qū)域的缺陷會嚴(yán)重制約纖維的整體性能，導(dǎo)致力學(xué)行為出現(xiàn)顯著波動。松散且有序度較低的芯部結(jié)構(gòu)易引發(fā)脆性斷裂。

3.3CFRCs的落錘沖擊與沖擊后壓縮性能

圖9展示了兩種碳纖維復(fù)合材料的沖擊后壓縮與落錘沖擊測試結(jié)果。CF-low復(fù)合材料的沖擊壓痕深度達0.37毫米，背面裂紋長度為797毫米，沖擊后壓縮強度為316兆帕；相比之下，CF-high的沖擊壓痕深度為0.26毫米，背面裂紋長度縮減至548毫米，沖擊后壓縮強度提升至345兆帕。

圖10展示了兩種碳纖維復(fù)合材料的沖擊后形貌與C掃描圖像。沖擊壓痕呈現(xiàn)以垂直壓縮為主導(dǎo)的"漏斗狀"失效區(qū)，壓痕邊緣存在明顯壓縮凸起，底部出現(xiàn)徑向斷裂纖維，背面則形成十字形裂紋。C掃描結(jié)果顯示從凹痕中心向外呈現(xiàn)冷色調(diào)到暖色調(diào)的顏色漸變，表明損傷深度逐級遞減。CF-low復(fù)合材料的中心區(qū)域呈藍色，對應(yīng)約4.5毫米的損傷深度，表明已發(fā)生完全穿透并伴隨大量纖維斷裂；向外過渡至橙黃色區(qū)域，顯示損傷轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢薜睦w維斷裂和纖維-基體脫粘。CF-high復(fù)合材料雖呈現(xiàn)類似損傷分布趨勢，但其凹痕中心呈綠色，反映存在顯著但未穿透的損傷。CF-low復(fù)合材料的壓痕深度達0.37毫米，損傷面積約553平方毫米，次生裂紋沿45°方向分叉并伴隨多重子裂紋，底部纖維斷裂呈隨機取向。相較之下，CF-high復(fù)合材料壓痕深度較淺（0.26毫米），損傷面積相當(dāng)（約553平方毫米），總體表明CF-low復(fù)合材料損傷更為嚴(yán)重。

圖11展示了兩種復(fù)合材料的落錘沖擊載荷-位移曲線。曲線均呈現(xiàn)"雙線性/突然失效"的兩階段特征：CF-low復(fù)合材料曲線初始線性段斜率較大（K3），位移增至3.3毫米時出現(xiàn)輕微軟化，斜率降至K4，隨后曲線呈非線性增長直至4.7毫米發(fā)生突然失效；CF-high復(fù)合材料線性段（0-3.1毫米）斜率為k1，3.1-4.8毫米進入非線性軟化階段斜率降至k2。初步擬合表明k3 > k1 > k4 > k2。CF-low復(fù)合材料曲線整體呈現(xiàn)"剛-脆"特性，而CF-high復(fù)合材料曲線則表現(xiàn)出"韌-塑"特性。

圖12展示了CF-low復(fù)合材料在沖擊后壓縮測試后的微觀斷裂形貌。該材料主要表現(xiàn)為纖維斷裂和分層主導(dǎo)的失效模式，絕大多數(shù)纖維斷裂位于沖擊壓痕區(qū)域內(nèi)，部分纖維呈現(xiàn)粉碎性破壞。有限的纖維-基體界面脫粘現(xiàn)象表明界面存在顯著的機械錨定效應(yīng)。結(jié)合載荷-位移曲線分析進一步揭示，CF-low復(fù)合材料表現(xiàn)出典型的"強界面-脆性基體"特征。與之形成對比的是，圖13顯示CF-high復(fù)合材料呈現(xiàn)出更廣泛的纖維拔出現(xiàn)象和界面脫粘，拔出的纖維長度約在20-50微米之間。相應(yīng)的載荷-位移曲線表明CF-high復(fù)合材料具有"韌-塑"特性。

在相同測試條件下，CF-low復(fù)合材料表現(xiàn)出更嚴(yán)重的沖擊損傷，這種差異主要歸因于纖維結(jié)構(gòu)與界面相互作用的協(xié)同效應(yīng)。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，CF-low復(fù)合材料主要表現(xiàn)為纖維脆性斷裂，界面脫粘比例相對較低。CF-low纖維表面的深溝槽通過機械互鎖增強了界面結(jié)合強度，然而這種強界面結(jié)合阻礙了裂紋沿界面擴展的能量耗散，迫使應(yīng)力集中作用于纖維自身。同時，CF-low顯著的皮芯結(jié)構(gòu)加劇了應(yīng)變失配，芯部空隙成為裂紋萌生點。在壓縮載荷下，"硬殼-軟芯"的纖維結(jié)構(gòu)引發(fā)以芯部塌陷為主導(dǎo)的失效機制。落錘沖擊階段，高模量的表皮層將能量傳遞至芯部，由于芯部塑性變形能力不足導(dǎo)致塌陷，最終產(chǎn)生強界面-剛性傳能-纖維脆性斷裂-深壓痕-長裂紋等現(xiàn)象。沖擊后壓縮測試中，皮芯間的應(yīng)變失配引發(fā)纖維失效，過強的界面強度阻止裂紋在界面處重新取向，抑制分層擴展，形成"應(yīng)力集中-整體失效"的惡性循環(huán)，導(dǎo)致突然破壞。

相比之下，CF-high復(fù)合材料呈現(xiàn)典型的漸進式損傷模式。其適中的界面強度允許裂紋在界面處受控擴展，這種損傷機制通過復(fù)合材料內(nèi)部的界面部分脫粘，有效借助分層和基體開裂耗散沖擊能量。同時，CF-high纖維更高的韌性賦予復(fù)合材料更優(yōu)的抗屈曲能力，從而將最終損傷區(qū)域限制在有限范圍內(nèi)。值得注意的是，損傷面積與殘余強度未呈現(xiàn)單調(diào)相關(guān)性——盡管CF-low復(fù)合材料整體損傷面積更大，但其壓縮強度衰減更為顯著，揭示了不同損傷模式對結(jié)構(gòu)完整性的差異化影響。