摘要: 碳纖維密封盤根是適用于高壓、高速、高溫工況下的高端密封產品，其中其耐溫性能是決定密封效果的關鍵指標，而燒蝕實驗可以用來評價盤根的耐高溫性能。通過熱失重和500 ℃燒蝕實驗研究不同碳纖維密封盤根和浸漬及未浸漬聚四氟乙烯( PTFE) 碳纖維密封盤根的耐燒蝕性能，采用掃描電子顯微鏡觀察樣品燒蝕前后表面形貌的變化。結果表明，采用PTFE 浸漬劑處理后，PTFE 膜在碳纖維表面起到隔絕空氣的作用，減少活性碳原子的氧化反應，對碳纖維起到保護作用，碳纖維表面沒有明顯燒蝕的痕跡; 碳化溫度越高，碳纖維內部石墨結構越完善，耐熱性越好，因而由高模量碳纖維編織的密封盤根具有較好的耐燒蝕性能。

　　關鍵詞: 碳纖維; 密封盤根; 燒蝕; 失重

　　編織型密封填料即密封盤根是填料密封中應用最為廣泛的[1-2]，具有承載介質壓力大、對介質的適應性廣、成本低、安裝方便等優點[3]。在密封盤根中，聚四氟乙烯( PTFE) 纖維編織密封填料具有優良的化學穩定性和自潤滑性能[4 - 5]，但缺點是熱傳導性差和熱膨脹系數大，在一定溫度和壓力的工況條件下，容易產生蠕變或冷流現象，不適應高溫、高壓、高速的工況要求[6 - 7]。然而，隨著宇航、核電站、國防工業、石化工業的發展，當今密封問題所涉及的廣度和深度已遠遠超越防止“跑、冒、滴、漏”的范圍，諸如高溫及超高溫、低溫及超低溫、高壓、高真空、高速以及強腐蝕等苛刻工況對密封填料提出了更高的要求[8-9]。碳纖維是近年來發展起來的一種新型高科技材料[10-11]，其優良的熱傳導性、低的熱膨脹系數以及高強度、高模量等性能剛好能夠彌補PTFE 纖維編織密封填料的不足，因而以碳纖維為主體材料，以PTFE 乳液為浸漬潤滑材料的密封盤根具有摩擦因數小、耐熱性好、熱膨脹系數低、化學穩定性高等一系列優異的綜合性能，其應用領域已遍及石油、化工、電力、冶金、船舶、核電等部門，尤其在高速、高溫、高壓等場合發揮了顯著優勢，被認為是替代石棉的最理想的密封材料[12-15]。

　　燒蝕實驗可以用來評價盤根的耐高溫性能。碳纖維盤根的耐燒蝕性能不僅與碳纖維本身的耐溫性能相關，而且受浸漬劑的影響非常大。本文作者對比了東麗T300碳纖維、未浸漬PTFE 的高模量碳纖維密封盤根和已浸漬PTFE密封盤根的耐燒蝕性能，為提高碳纖維密封盤根的耐熱性能提供了理論指導。

　　1 實驗材料與方法

　　1. 1 原材料

　　實驗試樣包括以下3 種:

　　(1) 未浸漬PTFE 高模量碳纖維盤根( 1#樣品) :

　　該盤根由進口優質高模量碳纖維編織而成，由浙江某密封件公司提供;

　　(2) 浸漬PTFE 高模量碳纖維密封盤根( 2# 樣品) : 其中的碳纖維為進口優質高模量碳纖維，浸漬劑的主要成分為PTFE，該樣品由浙江某密封件公司提供;

　　(3) 未浸漬PTFE 普通碳纖維盤根( 3# 樣品) :該盤根由日本東麗公司生產的T300 碳纖維編織而成。

　　1. 2 性能測試

　　3種樣品的燒蝕實驗在電阻爐中同時進行，在500 ℃空氣氣氛下恒溫加熱1 h; 采用德國NETZSCH4型熱分析儀分析3 種樣品的失重溫度點和失重量，升溫速率均為10 ℃/min; 采用日本日立SU-70型掃描電子顯微鏡觀察3種樣品燒蝕前后的表面形貌，實驗前樣品表面噴鍍碳膜，以提高其導電性能; 采用東華大學生產的XQ-1 型纖維強伸度儀測量碳纖維單絲的抗拉強度和斷裂伸長率，測試標距為20mm，拉伸速率為5mm/min。

　　2 結果與討論

　　2. 1 熱失重分析

　　圖1 示出了3種試樣的熱失重曲線。為防止PTFE在高溫下裂解產生有毒氣體污染實驗室環境，已浸漬高模量碳纖維密封盤根的加熱截止溫度設定在400 ℃，其他2 種樣品加熱到500℃。可見，普通T300碳纖維盤根最先開始失重，失重起始溫度為189.7℃; 未浸漬高模量碳纖維盤根的失重起始溫度略高，為220.8 ℃; 帶有浸漬劑的高模量碳纖維盤根失重起始溫度遠高于其他2 種樣品，為260℃。當加熱到400℃時，帶有浸漬劑的高模量碳纖維盤根的失重量僅為1.5%，未浸漬的高模量碳纖維盤根與T300碳纖維盤根的失重量相當，分別為2.4% 和2.2%。PTFE 從分子結構看是直鏈狀熱塑性高分子化合物，其熔點約為327℃。當加熱到500℃時，高模量碳纖維盤根顯示出比普通T300 碳纖維盤根更好的耐熱性，前者的失重量僅為2.972%，而后者為5.648%，表現在圖1中，前者的失重曲線A平穩下降，而后者的失重曲線C 劇烈下滑。

　　本文所研究的碳纖維表面有一層上漿劑，所以在A 和C 曲線的第二個拐點之前的失重主要是由上漿劑燒蝕引起的，而拐點之后的失重則是由碳纖維的氧化反應造成的。碳纖維本身的耐熱性主要受碳化溫度影響，碳化溫度越高，碳纖維含碳量越高，其內部石墨結構越完善、結晶度越高，因而抗氧化性提高[16-18]。1#樣品具有較高的碳化溫度，它在400 ～ 500 ℃之間的失重量為0. 572%，遠遠低于3#樣品在這個溫度范圍內的失重量，即3.448%。

　　以上分析結果表明，碳纖維經過浸漬劑處理后耐熱性得到了顯著提高，且高模量碳纖維的耐熱性要高于普通碳纖維。

　　2. 2 燒蝕前后碳纖維表面形貌分析

　　1#樣品在500℃下燒蝕前后的表面形貌如圖2所示。沒有經過浸漬處理的碳纖維表面燒蝕較嚴重，從燒蝕形貌上可以判斷，碳纖維表面原來附有一層上膠劑，這種上膠劑一般用來提高碳纖維的集束性以及與基體材料的表面浸潤性，但往往沒有很好的耐熱性能，因此在燒蝕過程中，上膠劑發生了較嚴重的燒損，出現了沿表面流淌的跡象。由于失去了外層漿膜的保護，碳纖維表面也被燒蝕形成許多深的溝槽和缺陷，在燒蝕實驗完成后，在取樣過程中發現碳纖維易碎，表明其脆性明顯增加，抗彎強度顯著降低。

　　2#樣品在500℃下燒蝕前后的表面形貌如圖3 所示。可見，經1h燒蝕后碳纖維表面的浸漬劑尚未完全燒掉，一部分PTFE膜燒蝕分解后露出里面包覆的碳纖維。這表明，由于有PTFE 膜的保護，碳纖維表面幾乎沒有明顯變化，沒有出現燒損痕跡。因此帶有PTFE的高模量碳纖維密封盤根至少可以在300℃以下長期安全使用( PTFE的熔點約為327℃) 。

　　3#樣品燒蝕前后的表面形貌如圖4 所示。3# 樣品T300 碳纖維表面存在較多的溝槽，這些溝槽有利于提高復合材料纖維與基體的結合強度。燒蝕后，3#樣品比1#樣品表面形成的缺陷更多，碳纖維燒蝕比較嚴重，上膠劑燒損較嚴重，出現了沿表面流淌的跡象，同時碳纖維表面由于燒蝕形成了更深的溝槽。

　　2. 3 燒蝕前后碳纖維力學性能的變化

　　由于1#和2# 樣品中所用的碳纖維相同，所以僅對燒蝕前的1#和3# 樣品中的碳纖維單絲進行了力學性能檢測，結果如表1 所示。

　　可見，3#樣品比1#樣品具有更高的強度和斷裂伸長率。有文獻報道[19]，當碳化溫度為1 450 ℃時，碳纖維強度達到最高，繼續提高碳化或石墨化溫度，強度反而降低，同時斷裂伸長率也降低，而模量提高。因此，從強度和斷裂伸長率可以判斷，1#樣品的碳化溫度比3# 樣品更高，因而它具有更好的耐燒蝕性能。燒蝕后，由于碳纖維都發生了較嚴重的燒損，脆性很高，無法測量力學性能，但是可以通過取樣時的手感來判斷，取樣時發現3# 樣品一碰就斷，進一步說明其耐熱性較差，燒蝕后伸長率大大降低。

　　3 結論

　　(1) 浸漬PTFE 的碳纖維密封盤根比未浸漬的碳纖維密封盤根具有更好的耐燒蝕性能，其耐熱性不僅與碳纖維本身的耐熱性相關，而且受PTFE 浸漬劑的影響較大。

　　(2) PTFE 膜能夠對碳纖維起到很好的保護作用，其作用機制是PTFE 膜能夠阻礙活性碳原子與氧的接觸，因此減少了氧化反應、降低了碳纖維的燒損失重量，使密封盤根整體的耐燒蝕性能得到提高。

　　(3) 碳化溫度越高，碳纖維內部石墨結構越完善，耐熱性能越高。因此，高模量碳纖維比T300 普通碳纖維具有更好的耐燒蝕性能。所以雖然高模量碳纖維在燒蝕前的強度和斷裂伸長率較T300 普通碳纖維低，但是燒蝕后前者的氧化燒蝕程度較輕，耐燒蝕性能更好。

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