碳纖維結(jié)構(gòu)性能對單向復(fù)合材料壓縮性能的影響

摘 要

碳纖維及其復(fù)合材料因其優(yōu)異的拉伸性能和輕質(zhì)特性而備受關(guān)注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復(fù)合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。

在本系列專題文章中，將會從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復(fù)合材料的壓縮性能提出了建議。在前幾期文章中介紹了碳纖維壓縮強(qiáng)度的常見測試方法、碳纖維的壓縮失效，而本文中主要介紹碳纖維結(jié)構(gòu)性能與單向復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系。

在上期文章中討論了碳纖維微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，圖1展示了碳纖維與復(fù)合材料之間的性能關(guān)系，圖中的這些數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和用于制造復(fù)合材料的碳纖維已知特性建立的。其中的復(fù)合材料性能代表了一種理想的情況，即基體完全固化，纖維-基體界面得到優(yōu)化，缺陷、空隙和錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)最小化。

即便如此，這些圖也展示了一些新的規(guī)律，并突出了碳纖維在決定復(fù)合材料壓縮性能方面的關(guān)鍵作用。圖中顯示了拉伸模量低于340 GPa的碳纖維（通常為標(biāo)準(zhǔn)模量230–240 GPa碳纖維）和中等模量碳纖維（290–325 GPa）兩組數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對于標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維，觀察到復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度隨著纖維拉伸模量的增加而增加。然而，當(dāng)拉伸模量在340 GPa及以上時(shí)，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著纖維拉伸模量的增加而降低（圖1a）。

圖1 商用纖維及其復(fù)合材料的性能關(guān)系a）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度vs碳纖維拉伸模量，b）復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度vs碳纖維拉伸強(qiáng)度，c）復(fù)合材料壓縮模量vs碳纖維拉伸模量，d）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度vs碳纖維壓縮強(qiáng)度

對于高模量纖維，微晶尺寸相對較高，因此壓縮性能會降低。對于中等模量或標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維，其晶粒尺寸、無支撐長度較低，無序區(qū)域較大，從而提高了抗壓強(qiáng)度。毫無疑問，還有其他因素在起作用，但這也清楚地表明，有一種理想的微觀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)微晶尺寸、距離、取向與孔徑和數(shù)量的平衡，從而優(yōu)化壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

圖1b顯示了纖維拉伸強(qiáng)度和復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度之間的線性關(guān)系，直到5GPa左右這種關(guān)系開始變得不明顯。復(fù)合材料的纖維拉伸模量和壓縮模量之間的線性關(guān)系即使是非常高模量的碳纖維也可以在圖1c中觀察到。

最后，圖1d進(jìn)一步支持了纖維在影響復(fù)合材料性能中的重要作用，說明了纖維和復(fù)合材料壓縮性能之間的線性關(guān)系。重要的是，如圖1d所示，40%至80%的纖維壓縮強(qiáng)度可轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度。纖維強(qiáng)度向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變時(shí)的這種降低可能與聚合物基體的界面相互作用以及制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷有關(guān)。

這些結(jié)果清楚地表明，盡管聚合物基體、基體纖維界面和整體復(fù)合材料質(zhì)量等因素很重要，但纖維的性能和微觀結(jié)構(gòu)顯然對提高性能至關(guān)重要。2008年日本東麗發(fā)表了一項(xiàng)專利，聲稱成功地獲得了高模量和高壓縮強(qiáng)度的碳纖維，并報(bào)告稱，控制微晶尺寸在確定壓縮性能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

為了進(jìn)一步研究這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，從已有文獻(xiàn)中收集了商用碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)信息，如微晶層間距（d）、微晶厚度（Lc，垂直于石墨片層方向）和微晶高度（La，沿石墨片層方向）。

然后將這些數(shù)據(jù)與來自文獻(xiàn)、制造商數(shù)據(jù)表的單向碳纖維復(fù)合材料的壓縮性能相結(jié)合，得到的復(fù)合材料壓縮模量和強(qiáng)度之間與微晶層間距d的函數(shù)關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯觯S著微晶層間距d增加，復(fù)合材料的壓縮模量下降（圖2a），同時(shí)壓縮強(qiáng)度會提高（圖2）。

圖2 碳纖維微觀結(jié)構(gòu)微晶層間距d與a）復(fù)合材料壓縮模量和b）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖3顯示了單向復(fù)合材料的晶粒厚度和壓縮性能之間的關(guān)系。雖然復(fù)合材料的壓縮模量隨著晶粒厚度Lc的增加而增加，但復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著晶粒厚度的增加而降低。

圖3碳纖維微觀結(jié)構(gòu)厚度Lc對a）復(fù)合材料壓縮模量和b）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

微晶高度La與單向復(fù)合材料的壓縮性能之間存在相同的關(guān)系（圖4）。這些相關(guān)性進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與增強(qiáng)碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，較大的晶粒尺寸與較小的微晶層間距d相結(jié)合會降低復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度并增加復(fù)合材料的壓縮模量。

圖4碳纖維微晶尺寸La對a）復(fù)合材料壓縮模量和b）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

上期文章提到，由于高溫碳化過程中連接石墨層的雜原子的消除，微晶層間距d變小。此次觀察到的結(jié)果與上期文章介紹的單纖維的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系非常吻合，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)纖維的微觀結(jié)構(gòu)在控制壓縮載荷下的性能方面的重要性。

然而，值得注意的是，對于同一種的纖維，文獻(xiàn)中報(bào)告了不同的復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度值（見圖2至圖4）。這再次得出結(jié)論，有其他因素如樹脂類型、纖維錯(cuò)位、缺陷或空隙，也會影響復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度，這將在后面的文章中討論。

審核編輯 ：李倩