碳纤维以其高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电导热性好等一系列优异性能而受到关注，以碳纤维为增强体的先进树脂基复合材料已经广泛应用在航空航天、文体器材、土木建筑、汽车、能源等各个领域^[1-4]。碳纤维属于脆性材料，在生产过程中易因部分纤维断裂而产生一些毛丝和毛团，在制备预浸料或复合材料时，这些毛丝与毛团会导致表面外观、质量均匀性等不符合应用要求，并引起复合材料性能的降低或性能分散性的增大，严重影响碳纤维性能的转化率和应用效果^{[5, 6]}。近几年，国产碳纤维发展迅速，T300级、T700级、T800级碳纤维都形成了批量生产能力，拉伸性能等方面也达到甚至超过了进口碳纤维的性能水平，但是与进口碳纤维相比，国产碳纤维断丝起毛的情况较为突出且普遍存在，影响了国产碳纤维复合材料性能的提升和应用，因此国内许多碳纤维生产及应用单位都将碳纤维的起毛断丝情况作为评价碳纤维工艺性和质量是否合格的重要内容。

科学、定量地测试碳纤维丝束的断丝起毛程度，从而评价碳纤维的损伤状态，对于碳纤维的研制、生产和使用都具有重要的意义。目前，对于碳纤维起毛特性国内外尚无测试标准，在生产和使用过程中大多采用目测等方法，只能定性分析，难以准确得到碳纤维的断丝起毛程度。对于碳纤维丝束断丝起毛量的定量测试，现有的方法主要是以碳纤维丝束表面的毛丝数目或毛丝质量作为测量指标。

以毛丝质量作为指标的测试方法包括两种类型。石峰晖，张焕侠等^{[7, 8]}将纤维安装在供丝器上，在牵引装置的牵引下，纤维通过一个毛丝黏附机构，收集一定长度的碳纤维丝束的毛丝，称量毛丝质量，作为碳纤维丝束起毛量的指标。其中毛丝黏附机构是由毛丝收集器、垫片及砝码组成，而毛丝收集器则可选用不锈钢、聚四氟乙烯、聚氨醋发泡材料或海绵。Isao^[9]采用类似的方法，但在牵引装置后增加了5根直径为2mm的镀铬不锈钢棒，且毛丝收集器选用氨基甲酸乙酯海绵。测试时碳纤维丝束在牵引机构的牵引下，以120°的角度通过锯齿型排列的不锈钢棒，再通过两块相挟的海绵，最后称量海绵上附着毛丝质量。该方法使用锯齿状排列的不锈钢棒，碳纤维束通过后能有一定程度的展开，因此能吸附碳纤维丝束里层的毛丝，但因为不锈钢棒直径较小，测试过程中对纤维有一定损伤，会使测试值偏高。

以毛丝数目作为指标的测试方法主要采用激光照射丝束法^{[10, 11]}。一般采用4~5根直径9.5~10mm的镀铬不锈钢棒，碳纤维丝束以57°或120°通过锯齿状排列的不锈钢棒，侧面使用激光照射碳纤维丝束，检测出毛丝数，该方法所用装置较为复杂，测试结果的影响因素复杂。

本工作针对T700级、T800级进口及国产碳纤维，发展了碳纤维丝束起毛质量的测试方法，改进了测试装置，研究了丝束展宽、张力、毛丝吸附材料等测试条件对测试结果的影响，旨在为碳纤维的断丝起毛程度的分析提供定量可靠的测试方法，为碳纤维工艺性评价和碳纤维研制应用提供一定的指导。

1 实验材料与方法 1.1 实验材料

本研究采用了T800级进口碳纤维T800HB(日本东丽)和T700级进口碳纤维T700SC(日本东丽)、H2550(韩国晓星)，其余纤维均为国产纤维。CF-A，CF-B，T800-A~F为国产T800级碳纤维，其中CF-A毛丝量较少，而CF-B毛丝量较大，T700-A，T700-B为国产T700级碳纤维，纤维性能如表 1所示, 进口纤维的性能数据为厂家公布典型值，国产纤维的性能数据为实测值。碳纤维复丝制备用树脂：环氧树脂E51，为南通星辰合成材料有限公司生产；丙酮(分析纯)为北京化工厂生产；5种聚氨酯海绵为市售，其性能如表 2所示。

1.2 碳纤维丝束起毛量性能测试方法的建立

本研究在以毛丝质量作为指标的测试方法基础上进行改进，搭建测试装置，建立碳纤维丝束起毛量测试方法。测试装置如图 1所示，主要是由4个部分组成：放卷装置，不锈钢棒导向装置，毛丝吸附装置，收卷装置。放卷装置在旋转轴端部附带有一定质量的砝码，从而提供碳纤维丝束在收卷过程中的退绕张力。不锈钢棒导向装置是由6根直径10mm的镀铬不锈钢棒组成，镀铬不仅增加了不锈钢棒的表面光滑度，减少了碳纤维丝束经过不锈钢棒时的磨损，同时也增加了不锈钢棒的耐磨性，延长了不锈钢棒的使用寿命。不锈钢阵列的排列位置还能进行改变，在保证碳纤维按120°的角度牵引的同时，能够调整不锈钢棒之间的排列高度差，从而改变碳纤维丝束在经过不锈钢棒阵列后的展宽。毛丝吸附装置主要是由聚氨酯海绵以及施加在海绵上的砝码所组成，碳纤维丝束经过毛丝吸附装置时，两块聚氨酯海绵在载荷作用下吸附碳纤维丝束表面的毛丝，海绵的尺寸为64mm×64mm×10mm。收卷装置主要作用是进行碳纤维丝束的牵引，并能够记录碳纤维丝束的运行长度。

测试时将碳纤维卷筒固定在纤维收卷装置上，吊上一定质量的砝码提供纤维退绕张力。碳纤维束通过6根不锈钢棒后，碳纤维束摩擦展开并以50m/min匀速穿过两个夹持的聚氨酯海绵之间，纤维通过聚氨酯海绵50m后，用镊子取出附着在海绵上留下的毛丝，采用精度为0.1mg的电子天平测试毛丝质量。重复上述步骤，确保有效试样不少于3个。碳纤维丝束的起毛量取所有有效试样结果的算术平均值。

经过起毛量测试和未进行起毛量测试的碳纤维丝束，浸渍环氧树脂，加热固化后得到碳纤维复丝，测试其拉伸强度和拉伸模量，实验方法采用GB/T 3362-2005。

2 结果与分析 2.1 纤维展宽对于碳纤维起毛量的影响

毛丝主要是在预氧化后期或炭化阶段纤维原丝受到机械损伤等所产生的，或者是在其复合材料制造加工过程中由于一系列的机械摩擦所产生的^{[12, 13]}。因此，毛丝并非只存在于碳纤维丝束表面，丝束内部应当也存在着一定量的毛丝。在碳纤维制备为预浸料时，需要碳纤维丝束展开成一定宽度，为准确地测量实际应用过程中的碳纤维丝束起毛量，同时探究碳纤维丝束不同展宽下起毛量的区别，根据Wilson纤维展开宽度模型^{[14, 15]}，设定了4个不同的展开辊的高度差。两种纤维CF-A, CF-B在不同辊高度差的展宽如表 3所示。

从表 3可以看出随着不锈钢棒间的高度差增大，碳纤维丝束在不锈钢棒上的展宽也随之增大，但纤维丝束离开不锈钢棒后会产生收缩集束，因此应该将聚氨酯海绵尽可能地接近不锈钢棒，确保不锈钢棒对于碳纤维丝束的展开效果。不同展宽下两种碳纤维丝束起毛量的测试结果如图 2所示。

根据测试结果可以发现随着纤维丝束展宽的增大，对于CF-A纤维而言，起毛量的大小并没有太大的变化，而CF-B纤维起毛量的测试值略有上涨。纤维丝束内部存在的毛丝随着丝束展宽的增大，也被聚氨酯海绵所吸附。对于CF-A纤维而言，本身的起毛量相对较小，为1mg·002m^-1左右，展宽增大所导致的起毛量测试值的变化不太明显，说明其纤维丝束内部的断丝起毛较少，而CF-B纤维由于是毛丝较多的纤维，纤维丝束内部的毛丝被吸附后造成起毛量的测试值有较为明显的变化。为探究这种起毛量测试值的变化是否是由于对纤维丝束展开时二次损伤纤维所导致的，对于各种展宽下的纤维力学性能进行了测试，结果如图 3所示。可以发现，在不同展宽下测试起毛量后的纤维的拉伸性能并没有太大的变化，因此可以认为起毛量测试值的增大是由于纤维丝束展宽增大后，丝束内部原有的毛丝被聚氨酯海绵所吸附而导致的。

2.2 纤维张力对于碳纤维起毛量的影响

碳纤维丝束测试起毛量过程中需要纤维受到一定的张力作用，保证纤维处于拉直状态与不锈钢棒接触展开，同时限制纤维的横向位移，减小横向位移引起的纤维磨损。因此本装置中采用砝码提供纤维张力，摩擦带在砝码作用下压紧放卷装置转动轮产生圆周摩擦力从而提供纤维测试时的退绕张力。本研究中设置了4种张力，碳纤维丝束CF-A, CF-B的起毛量测试值如图 4所示。可以看到起毛量的测试值是随着纤维张力的增大而增大的，但是在较小张力(0.5~2N)时，起毛量测试值的增幅较小，在张力提升时纤维束与不锈钢棒接触更充分，延展更开，此时起毛量的增幅更多是纤维丝束内部毛丝的暴露所引起的。但在受到4N的张力时，CF-B纤维的起毛量明显上升，此时的增量主要是由于张力过大造成纤维断裂产生新的毛丝所导致的。

为研究张力变化影响起毛量变化的原因，测试不同张力下测试后的纤维拉伸性能，以探究纤维的损伤情况，结果如图 5所示。可以发现对于CF-B纤维，在张力为4N时，纤维的拉伸性能明显下降，这就说明在该条件下纤维受到损伤产生了新的毛丝，因此毛丝的增量是由于新毛丝的产生而引起的。而对于CF-A纤维而言，由于自身耐磨性较好，纤维磨损不严重，因此起毛量测试值未出现明显增大，拉伸性能也未明显降低。综上所述，为减少纤维磨损，且使纤维能充分接触不锈钢棒展开，张力应选择1~2N较为合适。

2.3 海绵类型对于碳纤维起毛量的影响

碳纤维丝束起毛量测试装置的毛丝收集装置是由聚氨酯海绵与砝码组成，海绵通过与碳纤维丝束的摩擦将纤维表面的毛丝吸附下来，不同性能的海绵对于毛丝的吸附作用也不尽相同，海绵孔隙的尺寸会影响海绵对毛丝的吸附能力，而模量相对较低的海绵在相同载荷作用下能更好地包覆碳纤维丝束，对于毛丝的吸附更为有利。选用市场上现有的5种不同的海绵，如图 6所示。为了使不同条件下的起毛量之间的差值更易于观察，选用CF-B碳纤维进行实验。海绵的物理性能如表 2所示，测试结果如图 7所示。

根据实验后海绵表面的毛丝收集情况，发现Ⅱ号海绵由于孔隙直径较大，且该海绵材料质地较硬，因此纤维丝束经过海绵时受到刮蹭损伤，从而导致起毛量的测试值偏高。而对于Ⅳ号海绵由于海绵孔隙过小，模量相对较大，在相同载荷下不能将毛丝完全吸附，部分毛丝随纤维丝束牵引离开，因此起毛量测试值偏小。Ⅰ号海绵性能与Ⅳ号海绵相近，但测试值较Ⅳ号大，是因为该海绵中添加了一些填料使海绵对于纤维的磨损增大，从而使起毛量测试值偏大。Ⅲ，Ⅴ号海绵孔隙大小在0.1~0.6mm范围内，其模量较Ⅳ号海绵小，在载荷作用下能更好地贴覆纤维丝束，吸附毛丝，因此这两种海绵更为适合起毛量的测试。

2.4 海绵上施加载荷对于碳纤维起毛量的影响

碳纤维丝束经过不锈钢棒后进入聚氨酯海绵中，聚氨酯海绵在载荷作用下摩擦吸附碳纤维丝束表面的毛丝。根据摩擦定律海绵受到的载荷越大，海绵与纤维丝束的摩擦力就越大，因此对于毛丝的吸附作用就越明显。测试纤维起毛量时，为研究施加在海绵上适宜的压力范围，针对CF-A和CF-B两种纤维，选用海绵Ⅴ，设定了0.5，1，1.5，2.5，4N 5种压力值。不同压力值下的两种纤维的起毛量测试值如图 8所示。可以看出随着海绵承受载荷的增大，纤维起毛量的测试值有增大趋势，对于CF-B而言，在载荷只有0.5N时，起毛量测试值明显低于其他条件下的测试值。

通过观察不同载荷下穿过聚氨酯海绵的碳纤维丝束表面的情况发现，在载荷为0.5N时，经聚氨酯海绵摩擦过的纤维表面仍残留一些毛丝。CF-B碳纤维表面毛丝较多，起毛量相对较大，在较小的载荷下海绵未能够将纤维丝束表面的所有毛丝完全吸附，因此有部分毛丝随着纤维离开海绵，造成测试值偏小。对于CF-A纤维而言，由于本身毛丝数目相对较少，因此在较小的载荷之下毛丝即可被大部分吸附。由此，在1~4N的载荷下，绝大部分的毛丝都可以被吸附下来。

2.5 几种碳纤维的起毛量测定

为验证碳纤维丝束起毛量的测试方法对于不同纤维的适用情况，本工作另选了7种T800级的12K碳纤维和3种T700级的12K碳纤维，根据优化的测试条件选用纤维张力为1N，海绵为Ⅴ号海绵，海绵载荷选为2.5N，测试结果如表 4所示。在这个条件下，除T800-F纤维由于毛丝量过大，尚有部分短毛丝未被吸附外，纤维丝束经过海绵后表面毛丝基本都被完全吸附。根据复丝制样结果，毛丝量较大的纤维在复丝制样后的样品表面比较毛糙，而毛丝量较小的纤维制完样后样品表面光滑，如图 9所示。这些纤维表面情况、制样后的试样表面情况与起毛量测试值的大小规律是一致的，因此可以认为本方法是可靠的，能够适用于多种碳纤维。

对于同一种纤维，起毛量的大小对于纤维力学性能有着一定影响，如表 5所示，不同起毛量下的H2550碳纤维拉伸模量没有太大区别，但拉伸强度有一定差异，随起毛量的增大，纤维丝束内的纤维断裂程度加大，导致纤维拉伸强度降低，测试结果的分散性也有增大趋势。

3 结论

(1) 搭建了一套碳纤维丝束起毛量的测试装置并确定了测试方法，可以在控制碳纤维丝束展宽下进行测试，通过对几种12K的进口及国产T700级、T800级碳纤维的测试，表明所建测试方法操作简单，适用于不同起毛程度碳纤维的测试，测试结果与纤维复丝拉伸性能数据有一致性。

(2) 以12K的T800级碳纤维作为研究对象，考察了丝束展宽、纤维张力、海绵类型及海绵上施加载荷的影响。发现对于起毛程度较为严重的纤维，需保证一定的纤维展宽使丝束内部的毛丝暴露，从而保证测试结果的准确性。

(3) 为保证能完全反映出碳纤维丝束的断丝起毛程度，同时避免测试过程中引入新的损伤，针对12K碳纤维丝束较为合适的起毛量测试条件应为纤维的张力为1~2N，海绵选用孔隙大小在0.1~0.6mm，受到的载荷为1~4N。