碳纖維的力學(xué)性能測試

引言碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、醫(yī)療技術(shù)、汽車、能源等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。然而，由于碳纖維表面光滑且化學(xué)惰性高，碳纖維表面與樹脂基體之間的界面附著力較低，從而降低了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，碳纖維是一個(gè)熱門話題，研究人員一直在對其進(jìn)行研究，但污染環(huán)境和改性條件困難等問題依然存在。碳纖維形貌特征

通過掃描電子顯微鏡(SEM)對國產(chǎn)T800碳纖維進(jìn)行表面形貌觀察?？梢钥闯鰢a(chǎn)T800級碳纖維表面存在明顯的軸向溝槽，這些溝槽是在濕法紡絲工藝條件下原絲成型過程中形成的，說明國產(chǎn)碳纖維也是采用濕法紡絲工藝制備的。碳纖維的表面形貌圖碳纖維表面化學(xué)組成采用X射線光電子能譜儀(XPS)測試兩種碳纖維的表面化學(xué)組成,如圖所示。國產(chǎn)碳纖維表面不僅有碳元素、氧元素、硅元素，還有少量的氮元素和硫元素。拉伸性能測試

將試樣放在萬能試驗(yàn)機(jī)的適當(dāng)位置，固定試樣的兩端，然后施加緩慢、恒定的載荷，直至試樣斷裂，試驗(yàn)完成。試驗(yàn)過程中，當(dāng)達(dá)到最大拉力時(shí)，碳纖維管的基體逐漸斷裂，失去承載能力；當(dāng)達(dá)到斷裂荷載時(shí)，基體斷裂，碳纖維逐漸被破壞。測試結(jié)果表明碳纖維管具有良好的軸向拉伸強(qiáng)度。壓縮性能測試

截取30mm高的碳纖維管試樣，安裝好試樣，用萬能試驗(yàn)機(jī)均勻而緩慢地施加載荷。當(dāng)達(dá)到規(guī)定載荷或樣品被破壞時(shí)，測試終止，并觀察和記錄樣品的破壞情況。在高壓下，碳纖維管樣品沒有出現(xiàn)分層斷裂，基體承受住了主要壓力。因此，碳纖維管樣品的抗壓性能在很大程度上取決于復(fù)合材料基體的強(qiáng)度。室溫力學(xué)性能碳纖維復(fù)合材料理論拉伸強(qiáng)度與實(shí)際拉伸強(qiáng)度對比圖

圖中復(fù)合材料理論拉伸強(qiáng)度值是利用混合定理，通過復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)與相應(yīng)碳纖維的拉伸強(qiáng)度計(jì)算得到。

為分析國產(chǎn)碳纖維與樹脂間的界面性能，對室溫條件下的碳纖維復(fù)合材料0°壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和90°拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試。在樹脂基體相同的情況下，層間剪切強(qiáng)度、0°壓縮強(qiáng)度和90°拉伸強(qiáng)度可表征碳纖維和樹脂基體的界面性能如上圖所示，復(fù)合材料的0°壓縮強(qiáng)度層間剪切強(qiáng)度和90°拉伸強(qiáng)度值均基本相當(dāng)，說明國產(chǎn)碳纖維界面性能良好，這與國產(chǎn)碳纖維具有相對較高的表面粗糙度和較高的活性基團(tuán)含量是分不開的。進(jìn)一步表明碳纖維表面粗糙度引起的機(jī)械嚙合作用和碳纖維表面活性基團(tuán)引起的極性和化學(xué)鍵作用對復(fù)合材料界面性能都具有顯著的影響。濕熱性能測試

濕熱環(huán)境對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響一直是材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)之一。復(fù)合材料M-A在高溫濕態(tài)條件下的基本力學(xué)性能如圖所示?？梢?，在溫度和濕度的共同作用下兩種復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度和90°拉伸強(qiáng)度明顯下降，M-A復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度從105MPa降至54MPa，其層間剪切強(qiáng)度保持率在51.4%。M-A復(fù)合材料的90°拉伸強(qiáng)度則從62.4MPa降至26.4MPa，其90°拉伸強(qiáng)度保持率在42.3%。這是因?yàn)闇貪窆餐饔孟?，一方面吸濕會使樹脂基體中的高分子鏈段被打斷，另一方面溫度的升高又使得高分子鏈段具有更高的能量而變得不穩(wěn)定，其變化機(jī)理表現(xiàn)為水分子進(jìn)入基體后通過溶脹作用使基體發(fā)生增塑，為鏈段運(yùn)動(dòng)提供了所需的自由體積，使樹脂性能進(jìn)一步降低。因此在濕熱條件下復(fù)合材料界面性能下降明顯而且濕熱對復(fù)合材料90°拉伸強(qiáng)度的影響要大于對復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響。結(jié)語

目前，碳纖維復(fù)合材料的性能測試方式基本上沿用金屬材料的測試方法，也就是所謂的“等代法”。此方法對于碳纖維復(fù)合材料的普通測試是合適的，實(shí)際的測試中，常常由于應(yīng)力集中等問題的影響，無法獲得復(fù)合材料的精準(zhǔn)全面測試結(jié)果，且復(fù)合材料試樣的形狀和尺寸也會影響測試結(jié)果，存在所謂的“尺寸效應(yīng)”，這使得復(fù)合材料的真實(shí)、全面性能測試與分析存在難度，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用不夠合理，進(jìn)而