1 引言

碳纖維復合材料因具有高比強度、高比模量與強可設計性，已成為高端裝備減重增效的關鍵材料。碳纖維作為復合材料的主要承載骨架，其微觀結構特征直接決定與基體的界面結合狀態，進而影響復合材料宏觀力學性能與損傷容限。近年來，高性能碳纖維制備技術取得突破，T800G碳纖維逐步實現工程化應用。但在復合材料整體性能方面，碳纖維強度轉化效率仍較低。研究表明，該問題不僅與碳纖維表面化學活性相關，更受其多尺度結構協同作用支配。揭示從碳纖維微觀結構到界面行為、再到宏觀性能的跨尺度構效關系，對推動碳纖維復合材料性能提升具有重要科學意義與工程價值。

在碳纖維復合材料力學性能調控中，碳纖維表面形貌與纖維–基體界面性能的關系是研究熱點之一。傳統觀點認為，碳纖維表面粗糙度越高，通過機械互鎖作用增強界面結合，可改善復合材料層間性能與沖擊韌性。相關研究表明，碳纖維表面粗糙度提高可顯著降低復合材料裂紋萌生與擴展速率，促進裂紋沿界面擴展，吸收更多斷裂能。但近期研究表明，過度追求碳纖維高表面粗糙度可能導致纖維–基體界面結合過強，進而引發界面提前失效。另有研究指出，當碳纖維表面溝槽深度超過臨界閾值，樹脂基體無法完全浸潤溝槽根部，顯著降低界面載荷傳遞效率。這表明碳纖維表面形貌對纖維–基體界面性能的影響呈非線性關系。

此外，碳纖維皮芯結構作為制備工藝產生的固有特征，其對復合材料性能的潛在影響長期被忽視。皮芯結構不均勻性會導致碳纖維軸向力學性能不均，外部載荷作用下，芯部缺陷易成為裂紋萌生優先位置。相關研究通過調控碳纖維制備工藝弱化皮芯結構，提升徑向均勻性。另有研究基于廣義單元法建立纖維–基體界面多尺度模型，證實皮芯結構的剛度與厚度顯著影響復合材料剪切強度。

然而，現有研究多單獨關注碳纖維表面形貌或皮芯結構的影響，對二者協同作用的探索有限。干噴濕紡T800G碳纖維因其復合材料優異性能，成為航空航天主承力結構關鍵材料，該工藝進一步放大了碳纖維微觀結構對最終復合材料性能的影響。目前對該類微觀結構與環氧樹脂適配性的認識不足，導致T800G碳纖維實際應用中難以達到理想設計窗口。因此，建立碳纖維表面形貌、皮芯結構與復合材料關鍵力學性能間的清晰映射關系，對實現強度與損傷容限同步提升至關重要。

沖擊后壓縮性能（CAI）是碳纖維復合材料關鍵韌性指標與設計許用值，直接決定結構使用極限與材料技術代際提升。本研究選用兩種T800G碳纖維（CF-low與CF-high），采用多尺度表征方法，系統研究纖維表面形貌與皮芯結構對其復合材料CAI性能的影響，為T800G碳纖維復合材料的設計與應用提供理論依據。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

本研究采用中國威海拓展纖維有限公司生產的干噴濕紡T800G碳纖維，制備工藝示意圖如圖1所示。紡絲液經噴絲板擠出后，先通過空氣層再進入凝固浴，發生雙擴散與相分離，隨后纖維經預氧化、碳化處理制得最終碳纖維。僅通過微調凝固浴濃度，獲得兩種具有不同微觀結構特征的碳纖維，測試所得典型性能如表1所示。為消除上漿劑對纖維微觀結構研究的干擾，使用前采用溶劑對碳纖維進行脫漿處理。基體采用航空工業復合材料技術中心研發的高韌性環氧樹脂，測試所得典型性能如表2所示。在100~130 ℃條件下采用環氧樹脂浸漬碳纖維制備預浸料，整體制備流程如圖2所示。

表1 碳纖維基本性能

表2 基體基本性能

圖1 干噴濕紡工藝示意圖

圖2 碳纖維復合材料制備流程

2.2 碳纖維表面形貌測試

采用Quanta450 FEG場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察碳纖維二維表面形貌。采用Dimension ICON原子力顯微鏡（AFM）定量納米力學性能測試模式觀察碳纖維三維表面形貌，獲取表面粗糙度算術平均值（Ra）與均方根值（Rq）。通過標定剛性探針在選定區域獲取力–曲線陣列，確定局部壓縮模量值。

2.3 碳纖維皮芯結構測試

采用SEM-拉曼聯用系統測試碳纖維徑向皮芯結構。測試前，采用環氧樹脂將碳纖維包埋固化，置于液氮中脆斷，經打磨、拋光、清洗后，使用532 nm激光沿纖維徑向掃描。疊加SEM與拉曼數據，提取峰強比（ID/IG）作為石墨化程度評價指標，示意圖如圖3所示。

圖3 SEM-拉曼成像示意圖：(a,b)試樣制備；(c)測試；(d)纖維徑向網格掃描；(e)典型結果

2.4 復合材料落錘沖擊（DWI）與沖擊后壓縮（CAI）測試

按照ASTM D 7136標準，在Instron 9440試驗機上進行落錘沖擊測試。采用直徑16 mm半球形鋼沖頭，以6.67 J/mm能量沖擊復合材料中心，測試后測量壓痕深度并進行C掃描檢測。按照ASTM D 7137標準進行CAI測試，在Instron 5982試驗機上進行，當復合材料失效或載荷下降至最大載荷的30%時停止測試，每組測試至少獲得5組有效數據。

3 結論

本研究闡明了干噴濕紡T800G碳纖維微觀結構差異對復合材料沖擊后壓縮性能（CAI）的影響。結果表明，盡管CF-low具有更高的表面粗糙度（323 nm vs 221 nm），但其更強的界面結合并未轉化為更優的抗沖擊性能，相同測試條件下復合材料損傷更嚴重。該差異主要歸因于纖維–基體界面（FMI）與纖維結構的協同調控。CF-low復合材料失效以纖維脆性斷裂為主，強界面結合抑制沖擊過程能量耗散，碳纖維顯著的“硬殼軟芯”皮芯結構加劇應變不匹配，引發以纖維芯部塌陷為主的失效，最終形成強界面–剛性載荷傳遞–纖維脆性斷裂的連鎖反應。相比之下，CF-high復合材料通過適中的界面強度實現漸進式損傷擴展，通過界面脫粘、分層與基體開裂有效耗散能量，同時纖維自身韌性提供更優抗塌陷能力。

本研究揭示并驗證了僅追求高表面粗糙度與高模量值的碳纖維設計范式在抗沖擊場景下的局限性，首次從纖維皮芯結構均勻性與界面相容性協同調控角度闡明復合材料沖擊損傷行為的微觀機制。通過建立“纖維皮芯結構均勻性/界面相容性/宏觀沖擊行為”之間的關聯，提出兼顧纖維結構均勻化、界面優化與缺陷抑制的新型設計范式，為研發新一代“高強高韌”碳纖維復合材料提供重要理論依據與工藝方向。

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