国产ZT7H碳纤维表面状态及其复合材料界面性能

肖何 陈藩 刘寒松 肇研

Surface state of domestic ZT7H carbon fiber and interface property of compositesXIAO He, CHEN Fan, LIU Hansong, ZHAO Yan

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 DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20201209.003

国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能

肖何, 陈藩, 刘寒松, 肇研*  

( 北京航空航天大学　 材料科学与工程学院，北京 100191 )

摘    要 ：目前我国在高性能碳纤维研发生产方面已取得了突破性的进展。本文选用不同批次和牌号的国产

ZT7H 碳纤维，对其进行去浆和上浆处理，并制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料，探究国产 H1 型上浆剂

对 ZT7H 碳纤维表面形貌和微观界面性能的影响及不同牌号碳纤维复合材料界面性能的差异。研究表明，

H1 上浆剂增加了碳纤维表面粗糙度和极性组分含量，增强了湿热老化前后复合材料的微观界面力学性能。

同时，碳纤维织物的编织方式对其复合材料的静态力学性能和界面性能有很大影响。实验证明，国产 ZT7H

碳纤维的性能已超过东丽 T700 碳纤维，但其加工工艺性仍有待提升。

关键词 ：碳纤维；上浆剂；复合材料；界面性能；力学性能

中图分类号: TQ342.742；TB33　　　文献标志码: 　A　　　文章编号: 　1000-3851(2021)08-2554-14

Surface state of domestic ZT7H carbon fiber and interface property of composites

XIAO He , CHEN Fan , LIU Hansong , ZHAO Yan*

(School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract： At present, China has made great breakthrough in the development and production of high-perform-

ance carbon fiber. In this paper, different batches and grades of domestic ZT7H carbon fibers were selected and pro-

cessed for desizing and sizing, and then carbon fiber reinforced epoxy resin composites were prepared. The effect of

domestic H1 sizing agent on the surface morphology and micro-interface properties of ZT7H carbon fibers was ex-

plored, as well as the differences in interface performance of composites made from different grades of carbon

fibers. Studies have shown that H1 sizing agent increases the surface roughness and polar component content of

carbon fibers, enhancing the micro-interface mechanical properties of the composite before and after hygrotherm-

al treat. At the same time, the weaving method of carbon fiber fabric has a great influence on the static mechanical

properties and interface properties of its composites. Experiments have proved that the performance of domestic

ZT7H carbon fiber has exceeded Toray T700 carbon fiber, but its product performance stability still needs to be im-

proved.

Keywords：  carbon fiber；sizing agent；composites；interface property；mechanical property 

碳纤维是指碳含量大于 95% 的纤维材料，其

中碳含量高于 99% 称为石墨纤维 [1]。碳纤维具有

质量轻、比强度高、比模量高、耐高温、热膨胀

系数小、耐疲劳强度高、化学稳定好等诸多优异

性能 [2-4]，兼具碳材料的本身特点和纤维材料的加

工设计性 [5]。目前，聚丙烯腈 (PAN) 基碳纤维是

世界上应用最广泛的碳纤维材料 [5]。

碳 纤 维 的 研 究 开 发 及 工 业 化 始 于 20 世 纪 50

年代， PAN 基碳纤维在 20 世纪 60 年代起步，发

展迅速。目前我国主要的碳纤维研发生产制造厂

家包括光威复合材料股份有限公司、中简科技发

展有限公司等。其中，中简科技的主要产品 ZT7H  收稿日期：2020–09–17；录用日期：2020–11–21 ；网络首发时间：2020–12–10 14:54:43 网络首发地址：https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20201209.003通信作者：肇研，博士，教授，博士生导师，研究方向为先进碳纤维/织物增强树脂基复合材料、碳纳米复合材料及功能复合材料

E-mail：jennyzhaoyan@buaa.edu.cn

引用格式：肖何, 陈藩, 刘寒松, 等. 国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能 [J]. 复合材料学报, 2021, 38(8): 2554-2567.XIAO He, CHEN Fan, LIU Hansong, et al. Surface state of domestic ZT7H carbon fiber and interface property of composites[J]. Acta MateriaeCompositae Sinica, 2021, 38(8): 2554-2567(in Chinese).

 

复合材料学报 第 38 卷 第 8 期 8 月 2021 年

Acta Materiae Compositae Sinica Vol. 38 No. 8 Aug 2021

系列 (高于 T700 级) 高性能碳纤维已经稳定批量应

用到航空航天领域 [6]。

在实际生产过程中，由于碳纤维具有脆性较

大、易产生静电和不易集束的缺点，因此常使其

表面附着薄层聚合物，即上浆处理。常用的聚合

物有环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚醋酸乙

烯、聚缩水甘油醚、酯环族环氧化合物等 [7-8]，这

些聚合物都含有两种基团，能同时与碳纤维表面

及树脂结合。上浆剂主要具有以下方面的作用[9-11]：

(1) 保护纤维表面免受损坏；(2) 使碳纤维成束不

易散；(3) 润滑纤维，使其在后续加工过程中能承

受磨擦力，防止运输过程中产生毛丝；(4) 赋予抗

静电性；(5) 在纤维表面和基体之间提供化学键，

从而改善界面处的键合。

以碳纤维作为增强体，制备的树脂基复合材

料具有比强度高、比模量高、可设计性强、耐腐

蚀、易于整体成型等优点，广泛应用于航空航天

领域和交通运输等领域的大型承力构件制造中[12-13]。

在对复合材料施加载荷时，基体与增强材料之间

的应力传递是通过强的纤维-树脂结合实现的 [14]。

弱的界面结合将会产生低的层间剪切强度 (ILSS)，

对复合材料的力学性能有害。碳纤维表面的粗糙

度、微晶大小、官能团的种类和数量等结构与性

质均对界面性能有很大的影响。但是，碳纤维表

面是非极性和惰性的，润湿能力差，难以与树脂

基体形成有力的结合，进而影响复合材料的整体

力学性能 [15-16]。高艳等 [17] 用二乙醇胺改性四官能

团环氧树脂 MF-4101H，采用自乳化法制备了具有

良好稳定性的耐高温型环氧树脂乳液，对碳纤维

上浆后，制备的层合板的高温力学性能提升。曹

莉娟等 [18] 制备了羟基化碳纳米管 (CNT-OH) 改性

上浆剂，提升了上浆剂的稳定性和碳纤维与树脂

之间的浸润性，改进了碳纤维与树脂的界面性能。

LI L Z 等 [19] 将多壁碳纳米管 (MWCNT) 先后用强酸

氧化和聚乙烯亚胺 (PEI) 酰胺化处理得到了 MWCNT-

PEI。用 MWCNT-PEI 和环氧树脂制备得到上浆剂。

经过上浆后，碳纤维的 IFSS 提升 77.01%。WU Z J

等[20] 制备了一种含有乙烯基官能化 CNT 的上浆剂，与

去浆碳纤维相比，该上浆剂处理的碳纤维与不饱

和聚酯复合材料的 ILSS 由 46.7 MPa 提升到 64.5 MPa。

在实际应用中，复合材料构件多处于室外或

恶劣环境下，经常经受水分浸泡、高温、酸碱盐

溶液等环境侵蚀，其中湿热环境的影响尤为显著[21]。

在潮湿环境下，树脂有吸湿倾向。水分子进入复

合材料后，发生基体的吸水膨胀和塑化，在复合

材料内部产生内应力，加速界面老化、脱粘 [22]。

同时，复合材料本身在制造加工过程中难免出现

一些内部缺陷和局部损伤，在吸湿作用下会使裂

纹加速扩展，长期作用下，易导致构件破坏失效。

而上浆剂作为界面的重要组成部分，对复合材料

的耐湿热性能也会产生影响。黄彬瑶等 [23] 采用单

丝断裂法研究了两种不同上浆剂和湿热环境对国

产 300 级碳纤维/环氧树脂体系微观界面性能的影

响。结果表明，两种上浆剂均使碳纤维表面含氧

极性官能团含量减少，且对制备的复合材料界面

性能和耐湿热性能有较大提高。肇研等 [24] 通过对

表面包覆不同上浆剂的国产碳纤维/双马树脂复合

材料在 71℃ 水浸前后力学性能进行比较，研究了

上浆剂对复合材料湿热性能的影响。目前，关于

上浆剂对于国产 ZT7H 碳纤维表面状态及力学性

能的影响，却鲜有研究。

本文对不同批次和牌号的国产 ZT7H 系列碳

纤维进行了表征，研究其上浆前后的表面性能，

并进一步探究表面性能对其复合材料在室温和湿

热条件下界面性能的影响，为国产碳纤维的生产

与应用提供理论与实验支持。 

1    实验材料及方法 

1. 1    原材料

国产 ZT7H 碳纤维，国产 ZT7E 碳纤维单向织

物，国产 ZT7E3205P 碳纤维平纹织物，中简科技

有限公司；乳液型上浆剂 5#，编号 H1，威海拓展

纤维有限公司；LY-1 环氧树脂，沈阳东南研究所，

中温预浸料环氧树脂，牌号 9368，中温 RTM 环氧

树脂，牌号 6808；甲基六氢苯酐，南京荣盛化工

有限公司；丙酮 (优级纯)，青岛凯特化工有限公司。 

1. 2    试样制备

单丝断裂试样是在哑铃型树脂试样中埋入一

根纤维单丝，其形状如图 1 所示 (厚度为 2 mm)。

经过准备模具、分丝、挂丝的步骤后，将 LY-1 环

氧树脂与甲基六氢苯酐固化剂按照质量比 100∶33

配成后，放入真空干燥箱，在 40℃ 下抽真空 30 min，

取出后用滴管吸入树脂并将其浇入模具凹槽内。

注意应从夹持端开始浇注，避免将已绷直的单丝

冲断，浇注过程应尽量缓慢以避免浇注时产生气

泡。浇注完成后，将模具置于真空干燥箱内于 80℃

下固化 2 h。固化好后进行脱模检查，选择单丝未

断裂或弯曲、没有气泡的试样进行测试。

肖 何 ,等： 国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能 · 2555 ·

微脱粘试样是将一根单丝固定在“凹”字形

的硬片上，并在纤维上附着树脂微球，如图 2 所

示。先对碳纤维分丝并将其粘在自制架子上，将

LY-1 环氧树脂与甲基六氢苯酐固化剂按照质量比

100∶33 配成后，用针蘸取少量树脂点在固定好

的单丝上。将挂好树脂微球的单丝放入烘箱，在

80℃ 下固化 2 h，再用双面胶将附着固化后树脂

的单丝粘在自制的凹形试样夹上。注意要保证纤

维绷直，否则会影响微脱粘测试。

  Microdroplet Carbon fiber

图 2    微脱粘试样示意图

Fig. 2    Schematic diagram of micro debonding test 

将 10 个 单 丝 复 合 材 料 拉 伸 试 样 在 70℃ 条 件

下放入真空干燥箱里烘干至恒重，称重后将其置

于 70℃ 去离子水中浸泡 500 h。

将 ZT7E 和 9368 环氧树脂制备的预浸料剪裁

铺 层 后 ， 按 照 80℃ 恒 温 4 h、 120℃ 恒 温 2.5 h 的

工艺进行固化，固化反应结束后冷却至室温，脱

模 ， 得 到 ZT7E/9368 复 合 材 料 。 将 ZT7E3205P 裁

剪后在模具内铺覆后，在保证模具温度达到 60℃

时，将 6808 环氧树脂以 0.1 MPa 压力注入闭合模

具 ， 完 成 充 模 。 按 照 80℃ 恒 温 4 h、 120℃ 恒 温

2.5 h 的工艺进行固化，固化反应结束后冷却至室

温，脱模，得到 ZT7E3205P/6808 复合材料体系。 

1. 3    测试与表征

分别采用 ZEISS SUPPA 55VP 型场发射扫描电

子显微镜 (SEM，德国 ZEISS 公司) 和 Veeco D3000

型原子力显微镜 (AFM，美国 Veeco 公司) 观察碳

纤维表面形貌。

采 用 Thermo VG ESCALAB250 型 X 射 线 光 电

子能谱仪 (XPS，美国赛默飞世尔) 分析碳纤维表

面元素组成及所含化学官能团。

采用 DCAT21 表面能测试仪 (德国 Dataphysics

公司)，测出碳纤维在水和二碘甲烷中的动态接触角。

按 照 ASTM D3379[25] 单 丝 拉 伸 测 试 标 准 ， 采

用 Instron 5967 万能材料力学试验机 (美国 Instron

公司) 进行碳纤维单丝拉伸测试。按照 GB/T 3362−

2005[26] 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 测 试 标 准 ， 采 用 Instron

5967 万能材料力学试验机进行碳纤维复丝拉伸测试。

ls

以 2 µm/s 的速度对单丝断裂试样进行断裂拉

伸测试，记录树脂中一定长度内的纤维断裂数和

纤维平均断裂长度 ，假设界面的剪切应力 τ沿

纤维长度方向为常数，根据下式即 Kelly-Tyson[27]

公式计算出剪切强度 τ：

τ =dfσf

2lc(1)

σf df

lc lc = 4/3ls

其中： 为临界断裂长度下的纤维强度； 为纤

维直径； 为纤维的临界长度，一般取 。

临界断裂长度下的纤维强度很难测量，通常采用

韦伯统计方法来估算出 σ值 [28-32]，如下式所示：

Pf (σf) = 1− exp[−L

(σf

σ0

)m](2)

σf σf

σ0

式 中 ：Pf( ) 为 纤 维 在 应 力 水 平 小 于 或 等 于 下

的破坏概率； 为单位长度的韦伯尺寸参数；m

为韦伯形状参数，是表征纤维强度分散性的参数，

其数值通常由实验测定。

τ

采用自制的微脱粘测试仪，对微脱粘试样进

行微脱粘测试，通过下式计算出基体与纤维间界

面剪切强度 ：

τ =Fmax

πdl(3)

Fmax其中： 为最大拉出力；d 为纤维直径；l 为纤

维在树脂微滴中的嵌入长度。

复合材料的力学性能在 Instron 5967 万能材料

试验机上进行，分别对复合材料进行室温干态力

学性能测试和高温 (70℃) 干态力学性能测试，复

合材料力学性能测试的参考标准和试样铺层如表 1

所示。 

2    结果与讨论 

2. 1    ZT7H 碳纤维的表面状态

图 3 和图 4 分别为 ZT7H 碳纤维上浆前后的 SEM

图像和 AFM 图像。从图 3(a) 侧面图和图 4(a) 可以

 

155

35

65Unit: mm

图 1    单丝断裂实验试样尺寸

Fig. 1    Sample size of monofilament break test 

· 2556 · 复合材料学报

看出，未上浆 ZT7H 碳纤维表面有沿纤维轴向的

沟槽分布，且沟槽数量多；从图 3(b) 截面图中可

以看出，ZT7H 碳纤维的截面呈现椭圆齿轮形状，

据此，推断其生产工艺为湿法纺丝。湿法纺丝表

面沟槽的存在有利也有弊，有利之处是在纺丝和

预氧化过程中单丝之间不容易并丝，而且沟槽存

在，比表面积大，复合材料界面锚定效应好；不

利的是沟槽深浅不一，容易出现断筋或者缺陷，

导致碳纤维承载外力的面积和拉伸强度的下降。

从图 3(c) 和图 4(b) 可以看出，经过 H1 上浆剂上

浆后，上浆剂涂覆在纤维表面， ZT7H 碳纤维表

面沿纤维轴向方向仍有明显沟槽，且深浅不一，

由于涂覆不均匀还产生部分“凸起”，使纤维表

面粗糙度增大。这是由于在上浆过程中，上浆剂

首 先 填 充 纤 维 表 面 沟 槽 ， 然 后 会 在 纤 维 表 面 呈

“山脊”状出现，这也直接使纤维表面粗糙度得

到提升。

表 2 为碳纤维表面元素成分及含量的分析结

果。可知，上浆前后碳纤维表面存在 C、O、Si、

N、 S 五 种 元 素 。 其 中 ， C、 O 元 素 为 主 要 元 素 。

 

表 1    ZT7E/9368 和 ZT7E3205P/6808 碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能测试基本参数

Table 1    Basic parameters of mechanical properties test of ZT7E/9368 and ZT7E3205P/6808 carbon fiber/epoxy composite Test Test standard Size/mm Volume fraction of fiber Vf/%

0° compression properties GB/T 3856−2005[33] 140×6×2

55±390° tensile properties GB/T 3354−2014[34] 170×25×2Flexural properties GB/T 3356−2014[35] 85×12.5×2Interlaminar shear properties JC/T 773−2010[36] 206×6×2

 

(a) (b) (c)

图 3    ZT7H 碳纤维表面的 SEM 图像

Fig. 3    SEM images of ZT7H carbon fiber surface

((a) Bare side; (b) Bare section; (c) H1 sizing side) 

 

(a)

350.4 nm

243.5 nm

3 μm

3 μm

3 μm

2

2

2

1

1

1

(b)

165.3 nm

3 μm

3 μm

3 μm

2

2

2

1

1

1

图 4    ZT7H 碳纤维表面的 AFM 图像

Fig. 4    AFM images of ZT7H carbon fiber surface

((a) Bare fiber; (b) H1 sizing) 

肖 何 ,等： 国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能 · 2557 ·

未上浆 ZT7H 碳纤维表面含 C 量为 67.75%，明显

低于上浆纤维表面含碳量。这是由于工业生产的

碳纤维在上浆之前有一道工序是表面处理。纤维

经碳化后表面几乎呈惰性，不利于在后加工过程

中纤维与树脂的结合，因此在工业生产中，常通

过阳极氧化的方式对碳化后的纤维进行表面处理。

处理后碳纤维表面的 O 元素含量增多，有利于界

面结合，因此未上浆裸纤维其表面含 C 量降低。

H1 上浆剂上浆后碳纤维表面含 C 量达到 75.30%，

O 含量为 18.84%。未上浆 ZT7H 碳纤维表面有较

高 的 含 O 量 ， O/C 达 0.31。 上 浆 后 碳 纤 维 表 面

O/C 略有降低。这是因为上浆剂的主剂一般为树

脂，含有一定的 O 元素和活性官能团。对于 H1

上浆剂来说，其中的 C 元素含量更高，所以使上

浆碳纤维含 O 量有所下降。

利用 C 1s 电子 XPS 窄扫描，并对测试后的 C

1s 图谱进行分峰处理，表 3 为碳纤维表面含 C 官

能团含量。可知，上浆前后碳纤维表面的官能团

是 以 −C−C−(或 −C−H)、 −C−OH (或

−C−OR)、−C=O 和−COOH ( 或−COOR) 为主。未

上浆 ZT7H 碳纤维表面−C−C−(或−C−H) 含量

为 66.92%，上浆后，纤维表面−C−C−(或 −C−H)

和−C=O 含量都略有降低，−C−OH (或−C−OR)

活性官能团略有增加。但整体来看， ZT7H 碳纤

维上浆前后官能团含量变化不大，这说明 H1 上

浆剂中碳官能团含量与去浆碳纤维表面相似。上

浆后，碳纤维表面活性基本没有变化。

上浆前后 ZT7H 碳纤维的接触角和表面能组

成如表 4 所示。可以看出，未上浆 ZT7H 碳纤维

与水和二碘甲烷的接触角分别为 67.82°和 44.63°。

上浆后， ZT7H 碳纤维与水和二碘甲烷的接触角

虽然均有小幅度增加，但碳纤维的极性组分含量

略有提高，这说明上浆改变了碳纤维的表面性质。

这是由于上浆后−C−OH(或−C−OR) 活性官能

团含量提升导致。碳纤维表面能中的极性组分可

与树脂基体的活性基团发生化学反应，生成较强

的化学键合，从而提高界面粘接强度。因此，H1

上浆剂上浆后，虽然表面能低于未上浆纤维，但

表面能中的极性组分增加，这促进了碳纤维与树

脂的结合。 

2. 2    ZT7H 碳纤维复合材料微观界面力学性能

将单丝拉伸测试数据按照韦伯分布进行拟合，

ZT7H 碳纤维的单丝强度的拟合结果如图 5 所示。

表 5 为 单 丝 拉 伸 实 验 测 试 结 果 。 从 图 5 可 看 出 ，

去浆和上浆 ZT7H 碳纤维单丝强度都比较符合韦

伯 分 布 。 从 表 5 可 看 出 ， 未 上 浆 的 和 上 浆 ZT7H 

表 2    ZT7H 碳纤维表面元素成分及含量

Table 2    Element composition and content of ZT7H carbon fiber surface 

Carbonfiber

C 1s O 1s N 1s S 2p Si 2p

O/CBindingenergy/eV

Atomfraction/at%

Bindingenergy/eV

Atomfraction/at%

Bindingenergy/eV

Atomfraction/at%

Bindingenergy/eV

Atomfraction/at%

Bindingenergy/eV

Atomfraction/at%

Bare fiber 284.8 67.75 532.7 21.27 400.9 3.81 168.6 0.42 102.3 6.75 0.31H1 sizing 284.8 75.30 532.7 18.84 400.9 2.06 168.6 0.59 102.3 3.22 0.25

 

表 3    ZT7H 碳纤维表面 XPS 的 C1s 拟合峰结果

Table 3    C1s fitting peak results of XPS on ZT7H carbon fiber surface 

Carbon fiber

−C−C− or −C−H− −C−OH− or −C−OR −C= O −COOH or −COOR

Bindingenergy/eV

Perssadcontent/%

Bindingenergy/eV

Perssadcontent/%

Bindingenergy/eV

Perssadcontent/%

Bindingenergy/eV

Perssadcontent/%

Bare fiber 284.8 66.92 286.4 29.75 287.8 3.33 − −H1 sizing 284.8 65.87 286.3 32.00 287.0 2.12 − −

 

表 4    ZT7H 碳纤维接触角和表面能组成

Table 4    Contact angle and surface energy composition of ZT7H carbon fiber Carbonfiber

Infiltratingperimeter/mm

Contact angle/(°) Surfaceenergy/(m·Nm)

Polarcomponent/(m·Nm)

Non-polarcomponent/(m·Nm)Water Diiodomethane

Bare fiber 2.50 67.82 44.63 41.58 12.59 28.99H1 sizing 3.46 68.60 56.21 37.56 15.08 22.48

· 2558 · 复合材料学报

碳纤维的单丝拉伸强度在 41 000~4 300 MPa 之间，

与日本东丽公司 T700SC 碳纤维的理论拉伸强度

4 900 MPa 相差较多。经过 H1 上浆后，碳纤维单

丝拉伸强度有所增大，这说明上浆剂对纤维拉伸

强度存在一定的补强作用。

ZT7H 碳纤维与东丽 T700 碳纤维复丝拉伸性能

和密度如图 6 所示。从图 6(a) 可看出，东丽公司

T700 碳纤维复丝拉伸强度的实测结果为 4 777 MPa，

低于其公布的 4 900 MPa；而国产 ZT7H 碳纤维复

丝拉伸强度为 4 926 MPa，高于 T700 碳纤维的拉

伸强度。该结果表明，国产 ZT7H 碳纤维拉伸性

能已经达到 T700 级碳纤维水平。 T700 碳纤维实

测拉伸模量为 230 GPa，与东丽公司公布的 230 GPa

相吻合。而国产 ZT7H 碳纤维拉伸模量实测值为

252 GPa，比 T700 碳纤维高了 22 GPa。拉伸强度

和拉伸模量势必影响碳纤维的断裂延伸率，T700

碳纤维的断裂延伸率为 2.07，与东丽公司公布的

2.10 较 接 近 ， 而 ZT7H 碳 纤 维 的 断 裂 延 伸 率 则 为

1.96，与 T700 碳纤维相差较大。在碳纤维复合材

料的生产中，碳纤维与树脂的匹配将很大程度上

影响复合材料的性能。与 T300 碳纤维 1.50 的断裂

延伸率相比，T700 碳纤维的断裂延伸率大大提高，

这表明与二者相匹配的树脂有很大不同。而国产

ZT7H 碳纤维与东丽 T700 碳纤维拉伸模量存在的

差 值 表 明 在 后 续 的 复 合 材 料 生 产 中 仍 需 探 索 与

ZT7H 碳纤维相匹配的树脂，才能发挥其更加优

异的力学性能，使复合材料整体性能得到提高。

从图 6(b) 可以看出，ZT7H 和东丽 T700 碳纤维的

复丝拉伸强度均位于 4 600~5 300 MPa 范围内；从

图 6(d) 可 以 看 出 ， ZT7H 碳 纤 维 的 拉 伸 模 量 在

245~265 GPa 之间，明显高于 T700 碳纤维所处的

区间 220~240 GPa。这说明国产 ZT7H 碳纤维的拉

伸模量明显高于 T700 碳纤维，模量控制与东丽公

司相比还存在一定差距。

由 图 6(c) 可 知 ， T700 碳 纤 维 (12K) 的 线 密 度

为 807 g/km，略高于东丽公司公布的线密度值 800

g/km， 而 ZT7H 碳纤维 (3K) 的线密度则为 198 g/km。

这是由于 T700 碳纤维具有 12K 的 K 数，即一束纤

维由 12 000 根纤维组成，而国产的 ZT7H 碳纤维的

K 数为 3K，故线密度值上存在差别。ZT7H 碳纤维

(3K) 和 T700 碳纤维 (12K) 的体密度均为 1.78 g/cm3，

略低于东丽公司公布的体密度值 1.80 g/cm3。图 6(c)

中两种碳纤维的线密度和体密度数据为统计数据，

均是几百轴 ZT7H 碳纤维和 T700 碳纤维经过测试

得出的值。在测试过程中， ZT7H 碳纤维和 T700

碳纤维所测单个线密度值分别保持在 194~202 g/km

和的 786~824 g/km 的范围内，单个体密度值分别

保 持 在 1.76~1.80 g/cm3 和 1.76~1.84 g/cm3 的 区 间

内，性能都较稳定。

综上所述，从 ZT7H 碳纤维和 T700 碳纤维复

丝的拉伸强度、拉伸模量及线密度和体密度测试

 

表 5    ZT7H 碳纤维单丝拉伸测试结果

Table 5    Monofilament tensile test resultsof ZT7H carbon fiber 

Carbonfiber

Number ofsamples

Shapeparameter m

Tensilestrength/MPa

Bare fiber 30 4.65 4 122.39H1 sizing 30 7.09 4 249.17

 

2(a)

1

0

−1

−2

−3

−4

−52.9 3.0 3.1 3.2 3.3

lnσ3.4 3.5 3.6 3.7

ln [−

ln (1

−P)]

lnσ2.92.8 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

2

1

0

−1

−2

−3

−4

−5

ln [−

ln (1

−P)]

(b)

图 5    ZT7H 碳纤维单丝强度韦伯分布拟合曲线

Fig. 5    Weber distribution fitting curve of ZT7H carbon fiber

monofilament strength

((a) Bare ZT7H; (b) H1 sizing ZT7H) 

肖 何 ,等： 国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能 · 2559 ·

数据中可看出， ZT7H 碳纤维在物理性能方面已

基本达到 T700 碳纤维的水平。但在拉伸强度方面，

不同批次 ZT7H 碳纤维的变异系数相比 T700 来说

明显要大，这表明 ZT7H 碳纤维在拉伸强度的质

量稳定性上还有所欠缺；同时， ZT7H 碳纤维更

高的拉伸模量将对断裂延伸率产生影响，进而影

响到复合材料生产所匹配树脂的选择。

图 7 为 ZT7H 碳纤维未上浆和 H1 上浆剂上浆

后在饱和断裂状态下的偏光显微镜照片，放大倍

数 为 50 倍 。 可 以 看 出 ， 在 偏 振 光 源 下 ， 未 上 浆

ZT7H 碳纤维的光弹花样并没有出现明显的“十字”

花纹特征，而是断点两侧沿着界面呈现明亮状态，

这说明纤维-树脂界面出现了较严重的脱粘现象，

这是典型的弱界面形貌。经过上浆后，在纤维断

点处出现“十字”花纹，但每个光弹花纹在纤维

方向上延伸，说明断点处出现一定程度的脱粘现

象。脱粘处剪切应力减小，使断点处应力向花样

两侧扩散。

在 单 丝 断 裂 实 验 中 ，“ 十 字 ” 光 弹 花 样 的 出

现是由纤维断点周边的树脂发生了不同程度的塑

形变形、有不同的折射系数所引起的 [37]。当传递

到界面上的应力超过纤维和树脂粘结强度后，界

 

6 000 300

250

200

150

100

50

0

5 000

4 000

3 000

2 000

1 000

0

1 000 2.2 270

260

250

240

230

220

210

200

1.8

2.0

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Tensile strength

ZT7H

Carbon fiber

Carbon fiber

Carbon fiber

Carbon fiber

T700

ZT7H T700

Linear density

Bulk density

5 400

5 200

5 000

4 800

4 600

4 400

4 200

Tensile modulus

Ten

sile

str

ength

/MP

a

Ten

sile

str

ength

/MP

a

Ten

sile

modulu

s/G

Pa

Ten

sile

modulu

s/G

Pa

T700 Carbon fiber

ZT7H Carbon fiber

Lin

ear

den

sity

/(g·k

m−1

)

Bulk

den

sity

/(g·c

m−3

)

T700 Carbon fiber

ZT7H Carbon fiber

(a) ZT7H carbon fiber and Toray's T700 carbon

fiber tensile strength and tensile modulus

(d) Scatter plot of ZT7H carbon fiber and

Toray's T700 carbon fiber tensile modulus

(c) ZT7H carbon fiber and Toray's T700

carbon fiber linear density and bulk density

(b) Scatter plot of ZT7H carbon fiber and

Toray's T700 carbon fiber tensile strength

图 6    ZT7H 碳纤维与东丽 T700 碳纤维的拉伸性能与密度

Fig. 6    Tensile properties and density of ZT7H carbon fiber and Toray T700 carbon fiber 

 

(a)

(b)

图 7    ZT7H 碳纤维单丝断裂实验光弹花样 (放大倍数 50)

Fig. 7    Photoelastic pattern of ZT7H carbon fiber monofilament

fracture experiment (Magnification: 50)

((a) Bare fiber; (b) H1 sizing) 

· 2560 · 复合材料学报

面发生脱粘 [38]，“十字”光弹花样被拉长。脱粘

区域扩展、脱粘长度增加，被拉长的“十字”光

弹花样继续拉长直至鞘型 [39]。饱和断裂时，断点

呈“十字”光弹花样说明界面粘结较强，通过树

脂塑形变形消耗能量，尚未引起界面破坏；断点

呈鞘型光弹花样，说明界面粘结较弱，界面已经

发生脱粘破坏，鞘型长度越长，脱粘长度越大 [40]；

断点呈拉长的“十字”光弹花样时界面粘结性能

介于“十字”光弹花样与鞘型之间。由图 7 对比上

浆前后的光弹花样可知，经 H1 上浆剂上浆后，ZT7H

碳纤维与 LY-1 环氧树脂的界面粘结强度提升。

上浆前后的 ZT7H 碳纤维复合材料的界面剪切

强度如图 8 所示。在单丝断裂实验中，未上浆的

ZT7H 碳纤维复合材料的界面剪切强度为 23.87 MPa，

经过 H1 上浆剂上浆后，界面剪切强度得到了明显

的提高，达到了 33.09 MPa，提升了 38.63%，这与

光弹花样的变化一致；在微脱粘实验中，未上浆

ZT7H 碳纤维复合材料的界面剪切强度为 25.88 MPa，

上浆后达到 33.46 MPa，提升了 22.65%。

根据界面理论，从碳纤维表面与树脂基体的

机械啮合、化学键合及树脂对碳纤维的浸润性这

三个方面对上浆对国产 ZT7H 碳纤维复合材料的

界面性能产生的影响进行分析。从 AFM 图像可看

出，上浆后碳纤维表面粗糙度增加，这有利于纤

维和树脂经固化后生成机械嵌合产生锚定效应，

增强界面结合。从 XPS 结果也可看出，上浆后碳

纤维表面含氧官能团含量略有增加，表面活性提

高，有利于增强碳纤维与树脂的化学键合力。从

表面能和浸润性角度看，上浆后碳纤维的表面能

中极性组分含量提高，提升了树脂对碳纤维的浸

润性，有利于获得更强的界面粘合。综上所述，

机械啮合作用、化学键合作用、表面浸润作用在

国产 ZT7H 碳纤维复合材料体系界面中起主导作

用，并使上浆后碳纤维复合材料的界面性能提升。

ZT7H 碳纤维复合材料体系的试样经过湿热处

理后的光弹花样如图 9 所示。可以看出，上浆前

后的碳纤维复合材料体系均未出现尖锐的“十字”

光弹花样。这说明经过 500 h 和 70°水浸的湿热处

理后，界面脱粘现象均较严重。光弹“十字”花

纹“拉长”的过程，就是试样在拉伸过程中纤维

和基体界面出现脱粘的过程。随着拉伸的进行，

界面的脱粘越来越严重，脱粘区域增加，花纹就

不断的增长。当界面脱粘使基体难以将应力通过

界面传递到纤维上，则不再出现纤维断裂。上浆

前后的 ZT7H 碳纤维复合材料界面上出现不规则

的明亮花纹和亮点，这说明碳纤维和树脂界面出

现很大范围的脱粘现象。这是由于试样在经受湿

热处理时吸湿并受热膨胀，在界面处产生内应力，

 

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Bare fiber

Carbon fiber

H1 Sizing

Dry state

Hygrothermal treat

(a) Interfacial shear strength of monofilament break results

tested in dry state and after hygrothermal treatIF

SS

/MP

a

Bare fiber

Carbon fiber

H1 Sizing

40

35

30

25

20

15

10

5

0

IFS

S/M

Pa

(b) Interfacial shear strength of micro debonding results

图 8    ZT7H 碳纤维复合材料界面剪切强度 (IFSS)

Fig. 8    Interface shear strength (IFSS) of ZT7H carbon fiber composite 

 

(a)

(b)

图 9    ZT7H 碳纤维湿热处理后单丝断裂实验光弹花样 (放大倍数 50)

Fig. 9    Photoelastic pattern of ZT7H carbon fiber monofilament after

hygrothermal treat (Magnification: 50)

((a) Bare fiber; (b) H1 sizing) 

肖 何 ,等： 国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能 · 2561 ·

内应力引起的破坏会不断累积，界面产生微裂纹

和孔隙，并且这些界面缺陷在湿热过程中逐渐扩展。

ZT7H 碳纤维复合材料经湿热处理后界面剪切

强度及保持率如图 8 和表 6 所示。经过湿热处理

后，上浆前后碳纤维复合材料的界面剪切强度都

有所下降，但上浆后复合材料界面剪切强度保持

率更高。这是由于 ZT7H 碳纤维上浆后，表面粗

糙度提高，使微裂纹在纤维表面不容易扩展，而

且形成了树脂基体和碳纤维之间较大的机械啮合

作用，不利于水分对界面的破坏。同时，上浆后

含氧活性官能团增加不大，不多的水溶性组分可

以减少界面化学键合的破坏程度，从而其界面剪

切强度保持率高于未上浆纤维。 

2. 3    ZT7H 碳纤维复合材料静态力学性能

ZT7E/9368 和 ZT7E3205P/6808 复 合 材 料 分 别

在室温干态和高温干态下的静态力学性能如图 10

所示。可以看出， ZT7E/9368 复合材料的 0°压缩

性能、弯曲性能和 ILSS 均超过 ZT7E3205P/6808 复

合材料，但其 90°拉伸性能却远远弱于后者。这是

由于 ZT7E3205P 属于平纹织物，丝束以上/下模式

编织，隔行丝束之间的间隔很小，具有很高的稳

定性；但由于交织丝束之间的距离很短，交织点

众多，易造成碳纤维弯曲，这种弯曲会产生应力

集中，对构件的强度产生不利影响；上下编织的

碳纤维丝束也会影响树脂的渗透过程，难以形成

有效的界面；但在进行 90°拉伸测试时，ZT7E3205P

在该方向也有高度取向的连续碳纤维，拉伸性能

主要受碳纤维性能控制，因此具有更高的强度和

模 量 。 而 ZT7E 为 单 向 织 物 ， 连 续 碳 纤 维 在 0°高

度取向，不会发生交织和弯曲，且具有一定的柔

韧性；单向织物的结构更有利于树脂的浸渍，从

而获得更牢固的界面；但在 90°方向其拉伸性能主

要受基体树脂性能和界面性能控制 [41]，因此拉伸

强度和模量较低。

室温干态和高温干态下 ZT7E/9368 和 ZT7E32

05P/6808 复合材料的静态力学性能及保持率如表 7

所示。由图 10 和表 7 可以看出，在高温干态下，

两种复合材料的静态力学性能均有所下降，但保

持率均在 70% 以上。这是由于高温下树脂中的自

由体积增加，高分子链段的活动加剧，基体体积

增大在界面处产生内应力，使界面性能下降。

不 同 批 次 的 ZT7E/9368 和 ZT7E3205P/6808 复

合材料的静态力学性能分别如图 11 和图 12 所示。

可以看出，不同批次复合材料的静态力学性能均

有较大波动，除弯曲强度和弯曲模量外，其他强

度和模量的变化趋势并不一致，这说明国产 ZT7H

 

表 6    自然干态和湿热处理后 ZT7H 碳纤维复合材料的 IFSS 及保持率

Table 6    IFSS and retention of ZT7H carbon fiber composites atnatural dry state and after hygrothermal treat 

Carbon fiberIFSS/MPa

Retention rate/%Dry state Hygrothermal treat

Bare fiber 23.87   7.02 29.4H1 sizing 33.09 16.68 50.4

 

120

100

80

60

40

20

0

0°

Com

pre

ssio

n m

odulu

s/G

Ps

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

1 000

800

600

400

200

0

0°

Com

pre

ssio

n s

tren

gth

/MP

a

(a) 0° Compressionstrength

(b) 0° Compressionmodulus

 

· 2562 · 复合材料学报

碳纤维的性能稳定性和加工工艺性仍有待提高。 

3    结 论

(1) 国产 ZT7H 碳纤维表面有较多沟槽，H1 上

浆 剂 上 浆 后 使 其 表 面 粗 糙 度 和 表 面 能 中 的 极 性

组分增加，但表面元素和活性官能团含量基本无

变化。

(2 ) 经过 H1 上浆剂上浆后，ZT7H 碳纤维的单

 

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

(e) Flexural strength

(g) Interlaminar shear

strength

(f) Flexural modulus

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Composites

700

600

500

400

300

200

100

0

1 600

1 400

1 200

1 000

800

600

400

200

100

80

60

ILS

S/M

Pa

40

20

0

0

90°

Ten

sile

str

ength

/MP

a

70

60

50

40

30

120

100

80

60

40

20

0

20

10

0

90°

Ten

sile

modulu

s/G

Pa

Fle

xura

l st

rength

/MP

a

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

Fle

xura

l m

odulu

s/G

Pa

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

Room temperature dry stateHigh temperature dry state

(c) 90° Tensile strength (d) 90° Tensile modulus

图 10    室温干态和高温干态下 ZT7E/9368 和 ZT7E3205P/6808 复合材料的静态力学性能

Fig. 10    Static mechanical properties of ZT7E/9368 and ZT7E3205P/6808 composites at room temperature and high temperature 

肖 何 ,等： 国产 ZT7H 碳纤维表面状态及其复合材料界面性能 · 2563 ·

丝拉伸强度及其复合材料湿热处理前后的界面剪

切强度均提升。将 ZT7H 碳纤维与东丽 T700 碳纤

维复丝拉伸性能和密度相对比，表明国产 ZT7H

碳纤维的力学性能已超过 T700 碳纤维的水平。

(3) ZT7E/9368 碳纤维/环氧树脂复合材料的界

面 性 能 远 远 强 于 ZT7E3205P/6808 碳 纤 维 /环 氧 树

脂复合材料，这与两种碳纤维织物的编织方式有

关。在高温干态条件下，二者的力学性能保持率

均达到了 70% 以上的水平，但不同批次的复合材

料性能稳定性仍有待提升。

 

表 7    室温干态和高温干态下 ZT7E/9368 和 ZT7E3205P/6808 复合材料的静态力学性能及保持率

Table 7    Static mechanical properties and retention rate of ZT7E/9368 and ZT7E3205P/6808 compositesat room temperature and high temperature 

Property

ZT7E/9368 ZT7E3205P/6808

Room temperaturedry state

High temperaturedry state

Retentionrate/%

Room temperaturedry state

High temperaturedry state

Retentionrate/%

0° Compressionstrength/MPa

  950   800 84.21 500 350 70.00

0° Compressionmodulus/GPa

  115   110 95.65 50   40 80.00

90° Tensile strength/MPa     30     25 83.33 600 500 83.3390° Tensile modulus/GPa       8       7 87.50 60   50 83.33Flexural strength/MPa 1 500 1 200 80.00 700 600 85.71Flexural modulus/GPa   115   110 95.65 55   45 81.82Interlaminar shearstrength/MPa

    85     60 70.59 55   40 72.73

 

1 140

1 120

1 100

1 080

1 060

1 040

1 020

1 000

980

960

940

920

900

128

126

124

122

120

118

116

114

112

110

20160819 20170110 20170310 20170423 20170611

ZT7E/9368 composite batch number

(a) 0° Compression performance

(c) Flexural performance

(b) 90° Tensile performance

0°

Com

pre

ssio

n s

tren

gth

/MP

a

0°

Com

pre

ssio

n m

odulu

s/G

Pa

50

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

9.8

9.6

9.4

9.2

9.0

8.8

8.6

8.4

8.2

8.0

7.8

20160819 20170110 20170310 20170423 20170611

ZT7E/9368 composite batch number

90°

Ten

sile

modulu

s/G

Pa

90°

Ten

sile

str

ength

/MP

a

1 600

1 580

1 560

1 540

1 520

1 500

1 480

1 460

1 440

1 420

1 400

1 380

1 360

1 340

1 320

1 300

140

135

130

125

120

115

110

105

20160819 20170110 20170310 20170423 20170611

ZT7E/9368 composite batch number

Fle

xura

l st

rength

/MP

a

Fle

xura

l m

odulu

s/G

Pa

96

ILS

S/M

Pa

94

92

90

88

86

84

82

80

20160819 20170110 20170310 20170423 20170611

ZT7E/9368 composite batch number

(d) Interlaminar shear strength (ILSS)

图 11    不同批次 ZT7E/9368 复合材料的静态力学性能

Fig. 11    Static mechanical properties of different batches of ZT7E/9368 composite materials 

· 2564 · 复合材料学报

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20160719 20161126P 20170302P 20170427P 20170918P 20160719 20161126P 20170302P 20170427P 20170918P

20160719 20161126P 20170302P 20170427P 20170918P

ZT7E3205P/6808 composite batch number

(a) 0° Compression performance900

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ZT7E3205P/6808 composite batch number

(b) 90° Tensile performance

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ZT7E3205P/6808 composite batch number

(c) Flexural performance1 1001 0901 0801 0701 0601 0501 0401 0301 0201 0101 000

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ZT7E3205P/6808 composite batch number

图 12    不同批次 ZT7E3205P/6808 复合材料的静态力学性能

Fig. 12    Static mechanical properties of different batches of ZT7E3205P/6808 composite materials 

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