從下圖1中可以看出，碳纖維的拉伸模量會隨晶粒尺寸增加而線性增加，而當(dāng)晶粒尺寸在1.7nm以下時，碳纖維拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度會隨著晶粒尺寸增加而增加，但當(dāng)晶粒尺寸進(jìn)一步增加時，兩者性能會出現(xiàn)降低。結(jié)果還顯示，壓縮強(qiáng)度約為拉伸強(qiáng)度的50%。
圖1 碳纖維拉伸、壓縮強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系
雖然碳纖維的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度顯示出相似的變化趨勢，但人們認(rèn)為它們的破壞機(jī)制卻有所不同?？蒲腥藛T提出碳纖維的拉伸強(qiáng)度主要取決于缺陷結(jié)構(gòu)，而壓縮強(qiáng)度則由微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和取向所決定。根據(jù)一些研究結(jié)果表明具有高拉伸模量的碳纖維往往壓縮強(qiáng)度較低。
最近，科研人員對具有不同拉伸模量的碳纖維進(jìn)行了壓縮性能試驗，纖維的拉伸模量、壓縮強(qiáng)度以及微晶尺寸和壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系遵循上述提到的類似趨勢。然而，這項研究的獨特之處在于，經(jīng)過FIB研磨的微柱碳纖維樣品的直徑為1至2μm，與商業(yè)碳纖維的典型直徑5至8μm相比，這是非常小的。
一般認(rèn)為，較高的拉伸模量、較大的晶粒尺寸和較高的石墨結(jié)構(gòu)取向?qū)μ祭w維的壓縮強(qiáng)度會有不利影響。有趣的是，有人對兩組不同類型的碳纖維壓縮性能進(jìn)行了研究（見下圖2a）：高強(qiáng)度碳纖維（T300-T1000）和高模量纖維（M40J至M60J）。
圖2 a）壓縮強(qiáng)度和晶粒尺寸（Lc）之間關(guān)系，b）高強(qiáng)度和高模量碳纖維的拉伸強(qiáng)度和壓縮模量之間的關(guān)系
從結(jié)果中可以看出，在高強(qiáng)度型碳纖維中，對于相同的晶粒尺寸，隨著拉伸強(qiáng)度的增加，壓縮強(qiáng)度有所增加，這被歸因于相應(yīng)纖維中微孔含量或孔隙率百分比。小孔的濃度越高，壓縮強(qiáng)度越低。然而，需要注意的是，這里所謂的小孔是指保持相同大小且未合并成較大無支撐區(qū)域的孔隙。例如，與T1000碳纖維相比，T300纖維具有較低的壓縮強(qiáng)度，因為其孔隙率較高。
對于高模量碳纖維而言，隨著微晶尺寸的增加，高模量纖維的壓縮強(qiáng)度逐漸降低。通常，高模量纖維是在惰性氣氛下使用更高的石墨化溫度生產(chǎn)的，其中非碳元素進(jìn)一步從纖維中去除，晶粒排列提高且微晶間距降低。
在這一演變過程中，許多小孔結(jié)合并轉(zhuǎn)化為更長的針狀孔。在壓縮載荷下，這些孔隙不會為排列良好的較大晶粒提供任何側(cè)向支撐，從而導(dǎo)致纖維開始發(fā)生斷裂。該研究表明，具有高強(qiáng)度和中模量的碳纖維可以提供更高的抗壓強(qiáng)度。圖2b顯示了壓縮模量隨著拉伸模量的增加而增加，而大多數(shù)纖維的壓縮模量約為拉伸模量的50%。
在圖3a中也顯示一組商用碳纖維的壓縮強(qiáng)度和拉伸模量的反比關(guān)系。此外，圖3b結(jié)果顯示，對于相同的纖維，高度的微觀結(jié)構(gòu)取向（如較低的方位角Z FWHM）可使得碳纖維產(chǎn)生較低的壓縮強(qiáng)度，而較高的晶粒排列也對提高抗壓強(qiáng)度無益。
圖3 商用碳纖維的壓縮強(qiáng)度（σc）及與a）纖維拉伸模量和b）纖維微觀結(jié)構(gòu)取向的關(guān)系
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