碳纤维的力学性能测试

引言碳纤维增强树脂基复合材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀等诸多优点，因此在航空航天、医疗技术、汽车、能源等领域受到越来越多的关注。然而，由于碳纤维表面光滑且化学惰性高，碳纤维表面与树脂基体之间的界面附着力较低，从而降低了复合材料的界面结合强度，限制了其在某些领域的应用。因此，碳纤维是一个热门话题，研究人员一直在对其进行研究，但污染环境和改性条件困难等问题依然存在。碳纤维形貌特征

通过扫描电子显微镜(SEM)对国产T800碳纤维进行表面形貌观察。可以看出国产T800级碳纤维表面存在明显的轴向沟槽，这些沟槽是在湿法纺丝工艺条件下原丝成型过程中形成的，说明国产碳纤维也是采用湿法纺丝工艺制备的。碳纤维的表面形貌图碳纤维表面化学组成采用X射线光电子能谱仪(XPS)测试两种碳纤维的表面化学组成,如图所示。国产碳纤维表面不仅有碳元素、氧元素、硅元素，还有少量的氮元素和硫元素。拉伸性能测试

将试样放在万能试验机的适当位置，固定试样的两端，然后施加缓慢、恒定的载荷，直至试样断裂，试验完成。试验过程中，当达到最大拉力时，碳纤维管的基体逐渐断裂，失去承载能力；当达到断裂荷载时，基体断裂，碳纤维逐渐被破坏。测试结果表明碳纤维管具有良好的轴向拉伸强度。压缩性能测试

截取30mm高的碳纤维管试样，安装好试样，用万能试验机均匀而缓慢地施加载荷。当达到规定载荷或样品被破坏时，测试终止，并观察和记录样品的破坏情况。在高压下，碳纤维管样品没有出现分层断裂，基体承受住了主要压力。因此，碳纤维管样品的抗压性能在很大程度上取决于复合材料基体的强度。室温力学性能碳纤维复合材料理论拉伸强度与实际拉伸强度对比图

图中复合材料理论拉伸强度值是利用混合定理，通过复合材料纤维体积分数与相应碳纤维的拉伸强度计算得到。

为分析国产碳纤维与树脂间的界面性能，对室温条件下的碳纤维复合材料0°压缩强度、层间剪切强度和90°拉伸强度进行测试。在树脂基体相同的情况下，层间剪切强度、0°压缩强度和90°拉伸强度可表征碳纤维和树脂基体的界面性能如上图所示，复合材料的0°压缩强度层间剪切强度和90°拉伸强度值均基本相当，说明国产碳纤维界面性能良好，这与国产碳纤维具有相对较高的表面粗糙度和较高的活性基团含量是分不开的。进一步表明碳纤维表面粗糙度引起的机械啮合作用和碳纤维表面活性基团引起的极性和化学键作用对复合材料界面性能都具有显著的影响。湿热性能测试

湿热环境对复合材料力学性能的影响一直是材料研制和结构设计人员关注的重点之一。复合材料M-A在高温湿态条件下的基本力学性能如图所示。可见，在温度和湿度的共同作用下两种复合材料层间剪切强度和90°拉伸强度明显下降，M-A复合材料的层间剪切强度从105MPa降至54MPa，其层间剪切强度保持率在51.4%。M-A复合材料的90°拉伸强度则从62.4MPa降至26.4MPa，其90°拉伸强度保持率在42.3%。这是因为温湿共同作用下，一方面吸湿会使树脂基体中的高分子链段被打断，另一方面温度的升高又使得高分子链段具有更高的能量而变得不稳定，其变化机理表现为水分子进入基体后通过溶胀作用使基体发生增塑，为链段运动提供了所需的自由体积，使树脂性能进一步降低。因此在湿热条件下复合材料界面性能下降明显而且湿热对复合材料90°拉伸强度的影响要大于对复合材料层间剪切强度的影响。结语

目前，碳纤维复合材料的性能测试方式基本上沿用金属材料的测试方法，也就是所谓的“等代法”。此方法对于碳纤维复合材料的普通测试是合适的，实际的测试中，常常由于应力集中等问题的影响，无法获得复合材料的精准全面测试结果，且复合材料试样的形状和尺寸也会影响测试结果，存在所谓的“尺寸效应”，这使得复合材料的真实、全面性能测试与分析存在难度，复合材料的结构设计和使用不够合理，进而