CSTM-三维机织碳纤维预制体增强树脂基复合材料 纤维体积含量的测定编制说明

《三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定》团体标准编制说明起草编制组2021年12月15日“三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定”编制说明工作简况1任务来源经中国材料与试验团体标准委员会（以下简称：CSTM标准委员会）建筑材料领域委员会审查，CSTM标准委员会批准CSTM标准《三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定》立项，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC03/TC11建筑材料领域委员会纤维增强复合材料技术委员会，标准计划编号为CSTMLX031100818—2021，标准牵头单位为南京玻璃纤维研究设计院有限公司。2目的、意义三维机织碳纤维复合材料是由碳纤维三维空间连续、取向交织构成的预制体经RTM工艺复合成型而得到的高性能复合材料。碳纤维由于具有高比强度，高比模量，阻燃，耐腐蚀，质轻等优良特性，已在航空、航天、建筑等众多领域得到应用。三维织物由于形状适应性好，能在机织过程中直接形成整体结构，层间剪切强度高，克服了层合织物垂直于层合面方向上（即第三维方向上）机械性能差，二次成型时联接界面机械性能差的弱点，广泛地应用于工程领域，尤其是复合材料领域。碳纤维机织复合材料因其优异的性能，在工程中的应用近年来迅速得到开发，例如捷安特等自行车公司采用碳纤维三维织物作高级赛车的骨架，航空、航天上使用的一些特殊部件采用碳纤维三维织物作为复合材料的增强材料。国外还有用碳纤维机织成人行天桥的骨染，一次复合成人行天桥等等。三维机织碳纤维预制体复合材料的纤维体积含量是一个表征其性能的重要指标，对复合材料的拉伸、弯曲、压缩等力学性能有较大的影响，是决定机织复合材料各项性能的重要参数依据。目前国内外尚无确切的检测标准可以测量三维机织碳纤维预制体复合材料的纤维体积含量，可直接或间接测定纤维体积含量的方法主要有显微镜法、基体分解法、灼烧法和导电性能法，这些方法均不适用或者存在许多不足。随着航天工业的发展，复合材料的应用由次承力件扩展到主承力件，这就要求材料具有很高的损伤容限和可靠性，同时对其增强材料的抗冲击性和结构完整性要求更加严格，对于碳纤维机织复合材料的需求进一步加大，为了规范和完善三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的技术要求和检验工作，提供合适的试验方法，有必要结合当前工作实际，编制三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测试标准。制订《三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定》团体标准是非常必要的。3主要工作过程，包括分工、征求意见、各阶段工作过程等编制过程2021年8月召开了标准起草工作组成立会暨第一次工作研讨会，会上讨论了标准草稿和工作大纲，对工作组成员进行了分工安排。参会人员按会议议程进行了各项工作的讨论，初步形成标准初稿。2021年8-10月对标准要求中指标的验证试验分析。2021年11月与行业专业技术骨干及专家进行充分讨论交流，经工作组成员单位共同协商，最终达成一致意见，形成标准“征求意见稿”和编制说明。2021年12月，项目组发函开展意见征求，征集了相关企业家，项目组根据相关建议对标准文本稿进行了完善修订。编制原则和主要技术内容的说明，包括技术参数与指标的确定依据、修订标准的各修订点及其理由等编制原则本标准严格遵照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》的有关规定，以实际情况真实编写。本着保证制定适用于三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量测试方法，符合技术先进、经济合理的原则来开展本标准研制工作，力求制定的标准能够满足三维机织碳纤维预制体复合材料研发、应用的需求，促进行业技术进步与发展。既能体现标准的先进性，又要具有可操作性。主要技术内容标准编制原则和主要内容基本原则本着保证三维机织碳纤维预制体复合材料产品质量、符合技术先进、经济合理的原则来开展本标准研制工作，力求制定的标准能够满足国内三维机织碳纤维复合材料研发、生产的实际需求，促进行业技术进步与发展。既能体现标准的先进性，又要具有可操作性。主要内容的修订和确定依据适用范围本标准适用于三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件：ASTMD4892固体沥青的密度测定方法—氦气体密度仪法（TestMethodforDensityofSolidPitch—HeliumPycnometerMethod）主要试验（或验证）情况分析1、总则首先对不同碳纤维复合材料层压板采取基体分解法（ISO14127-2008方法A）与本标准里的方法进行测试，获得所需的试验数据，并进行对比分析，作为本方法的参考依据。由于目前国内外均无可以适用于测量三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的标准，因此利用本标准里的方法对三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量进行测试，再与材料设计值对比分析。2.碳纤维复合材料层压板结果分析对碳纤维复合材料层压板采取基体分解法（ISO14127-2008方法A）与本标准里的方法进行测试，检测结果如下表所示：表2.1碳纤维复合材料层压板纤维体积含量测试结果检测方法试样序号检测结果单值(%)平均值(%)变异系数(%)本标准方法150.6850.850.67250.74350.87450.48551.48基体分解法ISO14127-2008方法A152.4152.561.17252.91351.62452.38553.47结论：碳纤维复合材料层压板采取基体分解法(ISO14127-2008方法A)与本标准里的方法进行测试，基体分解法相较于本校准方法略微偏大3.25%。基体分解法是利用溶剂去除复合材料中的基体部分，然后依据消解后纤维的质量计算的，由于高分子树脂都具有溶胀性，用溶剂彻底去除树脂很困难，残留的树脂影响使得数据偏大导致的，因此该结果作为本方法的参考依据是合理的。3.三维机织碳纤维预制体复合材料结果分析利用本标准里的方法对三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量进行测试，再与材料设计值对比，检测结果如下表所示：三维机织碳纤维预制体复合材料板编号检测结果（%）设计值（%）与设计值偏差（%）单值平均值单值平均值155.9355.6156.700.771.0955.391.3155.501.20258.6258.4057.660.960.7458.620.9657.960.30356.7257.0057.520.800.5257.470.0556.830.69455.1054.7355.660.560.9354.750.9154.351.31554.6654.7154.580.080.1354.840.2654.620.04651.0350.6951.570.540.8850.351.22751.7451.9452.710.970.7752.130.58856.8657.1157.490.630.3857.360.13956.3256.6156.040.280.5756.470.4357.051.011053.4453.5754.481.040.9153.680.853.590.89结论：本标准的方法测量三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量结果，与设计值相比非常接近，因此推断本标准可以作为一种测试方法，进行三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测量。标准中如果涉及专利，应有明确的知识产权说明本标准不涉及专利。产业化情况、推广应用论证和预期达到的经济效果等情况

随着航空航天工业的飞速发展，复合材料的应用由次承力件扩展到主承力件，这就要求材料具有很高的损伤容限和可靠性，同时对其增强材料的抗冲击性和结构完整性要求更加严格。因此三维整体纺织结构复合材料应运而生，且随着国家对大飞机事业的重视，复合材料是中国民机项目的制约瓶颈之一，我国确定了复合材料要占大飞机体重20%~25的目标，三维机织复合材料可以提高复合材料的层间强度，抗压强度，疲劳强度等多种性能，适合全面替代制作飞机机身，机翼的二维复合材料，以提高飞机的安全性，因此有非常大的市场需求。然而目前国内外尚无确切的检测标准可以测量三维机织碳纤维复合材料的纤维体积含量，《三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定》标准将引导三维机织碳纤维复合材料改进设计、完善工艺，提高产品质量，从而进一步推动行业的发展，对贯彻落实国家产业政策具有重大意义。预期作用：如果《三维机织碳纤维预制体复合材料纤维体积含量的测定》形成团体标准后，将为三维机织碳纤维复合材料的研发、设计、工艺、检验提供重要的依据，解决三维机织碳纤维预制体复合材料在纤维体积含量测量标准上的空白，将促进中国三维机织碳纤维复合材料进一步发展，加快三维机织复合材料研发、产业化的速率，必将产生良好的经济效益和社会效益。采用国际标准和国外先进标准情况，与国际、国外同类标准水平的对比情况，国内外关键指标对比分析或与测试的国外样品、样机的相关数据对比情况尚未查到同类标准。与现行相关法律、法规、规章及相