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 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。本文首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，并分析了這些方法的優(yōu)勢與缺點。

 

01、背景介紹

 

碳纖維及其復(fù)合材料可以實現(xiàn)輕量化和高強度特性的有機結(jié)合，從而使其成為航空航天、體育和休閑、國防、汽車和風(fēng)能等許多對重量敏感行業(yè)的理想應(yīng)用。

 

與拉伸性能相比，碳纖維及其復(fù)合材料的縱向壓縮性能較差，這極大限制了它們的廣泛應(yīng)用。通常，碳纖維及其復(fù)合材料的抗壓強度僅約為其抗拉強度的30%至50%。

 

壓縮性能的下降主要由碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)控制，而對于復(fù)合材料，壓縮對制造方法、層壓設(shè)計、材料性能和材料性能等因素也極為敏感，因此，這種壓縮性能限制導(dǎo)致了設(shè)計限制，使結(jié)構(gòu)部件無法充分利用碳纖維的高性能。

 

過去幾十年來，有關(guān)提高碳纖維及其復(fù)合材料性能的研究呈爆炸式增長。盡管三十年前就有人已經(jīng)對碳纖維的低壓縮性能提出了擔(dān)憂，但時至今日有關(guān)提高相應(yīng)壓縮性能的研究仍未有實質(zhì)性進展。

 

鑒于復(fù)合材料的性能主要取決于其組分，包括基體、纖維增強和纖維-基體相互作用，在本系列專題中將重點確定控制碳纖維和碳纖維增強復(fù)合材料壓縮性能的因素。本文將首先討論用于評估碳纖維壓縮性能的幾種方法。

 

02、碳纖維的壓縮性能分析

 

2.1 碳纖維壓縮性能常見測試方法

 

由于碳纖維直徑僅僅約為7µm，因此測量單根纖維的軸向壓縮性能本身就極具挑戰(zhàn)性，目前碳纖維壓縮強度測試方法主要包括間接測試法和直接測試費兩大類。

 

2.1.1 間接測試方法

 

間接方法包括（1）、彈性環(huán)試驗，（2）、反沖法，（3）、單纖維復(fù)合材料試驗和（4）、彎曲梁法。四種方法的示意圖如下圖1所示：

 

 

圖1. 間接測量方法a）彈性環(huán)，b）反沖法，c）單纖維復(fù)合材料，d）彎曲梁法。

 

在彈性環(huán)法（圖1a）中，將單絲以環(huán)的形式放置在玻璃載玻片之間，并向纖維末端施加拉力。在顯微鏡下同時觀察環(huán)的尺寸變化，直到彈性失穩(wěn)并在環(huán)的壓縮區(qū)域中產(chǎn)生扭結(jié)帶。此時，使用下列公式1計算壓縮應(yīng)變，該公式由纖維半徑（R）和觀察到扭結(jié)帶的環(huán)的最小曲率半徑（Rc）定義。該測量假設(shè)纖維的抗壓強度是在失效前抵抗扭結(jié)的主要原因。獲得的應(yīng)變乘以彈性模量，就可以得到纖維的抗壓強度。

 

 

在反沖法中（圖1b），拉伸載荷以不同的增量施加到一系列纖維上。每次載荷增量時，在張力下，纖維標(biāo)距長度的中心進行切割。反沖效應(yīng)發(fā)生在纖維的斷裂端，導(dǎo)致應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動能，驅(qū)動纖維的每個自由端朝向夾具。由于夾具是剛性的，動能被轉(zhuǎn)換為應(yīng)變能，壓縮波向自由端傳播。如果在此過程中產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力大于纖維的實際壓縮強度，則纖維上會形成扭結(jié)帶，然后使用進行此觀察的最低載荷來獲得纖維的抗壓強度

 

在單纖維復(fù)合材料試驗中（圖1c），首先將單絲粘在嵌入環(huán)氧樹脂中的鋁分模上，并使其固化。將固化的樣品切成塊，然后研磨和拋光，從而獲得垂直于纖維軸的平面，然后使用配備有平行砧的萬能試驗機以0.02英寸/分鐘的速度將樣品壓縮至約0.1%，直到第一根細(xì)絲斷裂。纖維的抗壓強度通過將無纖維斷裂的最高壓縮應(yīng)變乘以纖維的楊氏模量來計算，該方法假定材料的拉伸和壓縮模量是相同的。

 

在彎曲梁法（圖1d）中，纖維最初粘結(jié)到塑料載玻片的表面。玻璃的一端被夾住，另一端放在滾輪上。通過將輥移向固定端，同時使用光學(xué)顯微鏡觀察纖維上扭結(jié)帶的形成，使塑料玻片彎曲；然后，使用下列公式2，根據(jù)在固定端附近觀察到的最后扭結(jié)的距離（l）、從固定端到輥中心的距離（L）、輥的直徑（d）和梁的厚度（t），計算臨界壓縮應(yīng)變。纖維的應(yīng)變和拉伸模量的乘積提供了抗壓強度。

 

 

這些間接方法的缺點是：

 

在彈性環(huán)和彎曲梁試驗中，壓縮應(yīng)力是通過纖維彎曲得到的。因此，在這些過程中纖維中產(chǎn)生的應(yīng)力并不完全與軸向壓縮載荷相關(guān)。此外，為了估計纖維的抗壓強度，這些方法假定拉伸模量和壓縮模量相同，但實際情況并非如此。

 

反沖試驗方法僅限于抗壓強度低于抗拉強度的纖維。

 

在單纖維復(fù)合材料試驗方法中，纖維表面缺陷將被基體覆蓋，樹脂固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會影響結(jié)果。此外，纖維-基體界面也將對實際抗壓強度產(chǎn)生影響。

 

在彎曲梁法中，楔形件的直徑對壓縮應(yīng)變分布有重大影響，纖維表面缺陷可能導(dǎo)致難以確定扭結(jié)帶的形成。

 

2.1.2 直接測試方法

 

壓縮強度的直接測量只能通過使用微壓縮試驗裝置直接施加到纖維上的真實軸向壓縮力（如圖2所示）來確定。幾種常見的方法包括（1）、使用懸臂撓度直接測量，（2）、通過使用扁平尖端加載直接測量，（3）、通過將纖維固定在環(huán)氧樹脂中并使用扁平尖端進行加載直接測量；（4）、微柱Micro-pillar壓縮。

 

 

圖2. 幾種常見的直接壓縮強度試驗方法：a)基于懸臂撓度；b)基于平端加載；c)將纖維固定在環(huán)氧樹脂中并平尖加載；d)微柱壓縮試驗

 

對于第一種方法（圖2a），纖維安裝在0.2 mm厚的銅片上，銅片固定在可移動平臺上。安裝有應(yīng)變計的懸臂梁放置在立柱支架上，然后將纖維樣品壓在懸臂梁上，同時記錄應(yīng)變，直到樣品在壓縮中斷裂；最后，通過使用公式3中的懸臂梁理論獲得纖維樣品上的壓縮力，其中F是壓縮力，L是應(yīng)變計到纖維位置的距離，E是懸臂梁的彈性模量，ε是壓縮應(yīng)變，a和b是梁的橫截面尺寸，然后使用壓縮力計算纖維的壓縮強度。

 

上面基于懸臂撓度的測試（圖2a）與通過平頭加載進行的測量（圖2b）之間的主要區(qū)別在于使用測壓元件來測量纖維上的壓縮力。在第三種方法中（圖2c），纖維垂直埋入環(huán)氧樹脂中并固化，使用聚焦離子束（FIB）拋光使截面的突出部分變成平面，然后用一個連接在測壓元件上的扁平尖端對樣品進行壓縮加載，以測量纖維的壓縮特性。微柱壓縮試驗（圖2d）與圖2c所述的方法不同，因為它涉及使用FIB將裝在環(huán)氧樹脂中的纖維研磨成微柱；然后，使用扁平尖端將柱置于負(fù)載下，以測量纖維的壓縮性能。

 

常見的直接測試方法的主要缺點包括：

 

在懸臂梁法中，即使力直接施加在纖維上，將其推向懸臂梁，纖維所受的實際力是通過觀察到的懸臂梁應(yīng)變來測量的。因此，所確定的抗壓強度仍然是間接的，并且由于變異性較大，可能會導(dǎo)致較高的誤差。

 

所有方法都涉及費力和復(fù)雜的樣品制備技術(shù)。

 

在微柱測試中，幾乎不可能在不損壞纖維的情況下去除纖維表面的所有環(huán)氧樹脂。

 

綜合考慮到直接測試和間接測試方法的優(yōu)缺點，建議采用除微柱試驗外的其他幾種直接測試方法，從而保證獲得碳纖維的一致和可靠的壓縮性能。