碳纖維的力學性能測試

引言碳纖維增強樹脂基復合材料具有強度高、重量輕、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，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，從而降低了復合材料的界面結(jié)合強度，限制了其在某些領(lǐng)域的應用。因此，碳纖維是一個熱門話題，研究人員一直在對其進行研究，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機的適當位置，固定試樣的兩端，然后施加緩慢、恒定的載荷，直至試樣斷裂，試驗完成。試驗過程中，當達到最大拉力時，碳纖維管的基體逐漸斷裂，失去承載能力；當達到斷裂荷載時，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，用萬能試驗機均勻而緩慢地施加載荷。當達到規(guī)定載荷或樣品被破壞時，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合材料基體的強度。室溫力學性能碳纖維復合材料理論拉伸強度與實際拉伸強度對比圖

圖中復合材料理論拉伸強度值是利用混合定理，通過復合材料纖維體積分數(shù)與相應碳纖維的拉伸強度計算得到。

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合材料0°壓縮強度、層間剪切強度和90°拉伸強度進行測試。在樹脂基體相同的情況下，層間剪切強度、0°壓縮強度和90°拉伸強度可表征碳纖維和樹脂基體的界面性能如上圖所示，復合材料的0°壓縮強度層間剪切強度和90°拉伸強度值均基本相當，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含量是分不開的。進一步表明碳纖維表面粗糙度引起的機械嚙合作用和碳纖維表面活性基團引起的極性和化學鍵作用對復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)境對復合材料力學性能的影響一直是材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員關(guān)注的重點之一。復合材料M-A在高溫濕態(tài)條件下的基本力學性能如圖所示?？梢姡跍囟群蜐穸鹊墓餐饔孟聝煞N復合材料層間剪切強度和90°拉伸強度明顯下降，M-A復合材料的層間剪切強度從105MPa降至54MPa，其層間剪切強度保持率在51.4%。M-A復合材料的90°拉伸強度則從62.4MPa降至26.4MPa，其90°拉伸強度保持率在42.3%。這是因為溫濕共同作用下，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，其變化機理表現(xiàn)為水分子進入基體后通過溶脹作用使基體發(fā)生增塑，為鏈段運動提供了所需的自由體積，使樹脂性能進一步降低。因此在濕熱條件下復合材料界面性能下降明顯而且濕熱對復合材料90°拉伸強度的影響要大于對復合材料層間剪切強度的影響。結(jié)語

目前，碳纖維復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合材料的普通測試是合適的，實際的測試中，常常由于應力集中等問題的影響，無法獲得復合材料的精準全面測試結(jié)果，且復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”，這使得復合材料的真實、全面性能測試與分析存在難度，復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用不夠合理，進而