為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的輕量化，人們對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）作為金屬零部件替代品的期望值越來越高，尤其是為了提高汽車的燃油經(jīng)濟性，正在加速CFRP車身和零部件的開發(fā)。
若要真正大規(guī)模地普及CFRP，除了提高CFRP自身的力學(xué)、疲勞等特性之外，開展其微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究也很重要，因為CFRP許多宏觀特性的優(yōu)劣很大程度上是由空隙和纖維取向等CFRP內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的，因此本文中介紹了利用先進(jìn)的X射線CT（X-ray computed tomograph）技術(shù)提供內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析來支持這種基礎(chǔ)研究工作的開發(fā)。
基于CFRP成型品中的空隙、纖維填充不良、纖維取向狀態(tài)以及碳纖維長度等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，CFRP的性能也存在顯著的不同。X射線CT技術(shù)可以無損傷地觀察空隙和纖維的狀態(tài)。另外，通過對取得的三維圖像進(jìn)行計算機分析，可以對空隙的分布和纖維取向進(jìn)行數(shù)值化把握。
圖1 使用X射線CT觀察到的CFRP內(nèi)部結(jié)構(gòu)
如上圖1在顯示CFRP內(nèi)部空隙存在部位的同時，還可以通過計算得到CFRP體積的空隙率為0.9%。而在圖2所示的測試結(jié)果中，從表示纖維定向的迂回度來看，可以對偏移X方向的纖維進(jìn)行定向。
圖2 使用X射線CT對CFRP內(nèi)部纖維定向
從復(fù)合材料的成型性和成本的觀點考慮，熱塑性CFRP可以通過熔融進(jìn)行連接。但是，在CFRP中，增強纖維作為不同材料而發(fā)揮作用，因此選擇最佳的方法和條件變得很重要。熔融連接部分的強度大多是由接合界面的狀態(tài)造成的，需要通過接合界面的各種分析掌握影響這部分結(jié)構(gòu)強度的主要原因。
圖3熱塑性CFRP熔接部位的X線CT觀察圖像：左圖:高強度產(chǎn)品，右圖:低強度產(chǎn)品
通過上圖3所示的X射線CT進(jìn)行的無損傷觀察，可以發(fā)現(xiàn)，低強度CFRP產(chǎn)品的接合界面發(fā)生了剝離現(xiàn)象；此外，部件強度的差異也出現(xiàn)在強度試驗后的剝離破壞面上，用掃描型電子顯微鏡（SEM）觀察該剝離斷裂面時，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)對接合有貢獻(xiàn)的樹脂。另外，從差示掃描量熱計（DSC）得到的約216℃的熔化峰的大小來看，斷裂面附近的樹脂的結(jié)晶性（致密性）稍微變小，可以確認(rèn)這是導(dǎo)致部件強度降低的主要原因之一（圖4）。
圖4 CFRP熔接部強度試驗后的剝離面分析結(jié)果，左:高強度產(chǎn)品的斷裂面SEM像，中:低強度產(chǎn)品的斷裂面SEM像，右:斷裂面附近的樹脂DSC測定結(jié)果
綜上所述，本文通過各種分析手段簡要分析了CFRP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對熔融連接部分的強度特性及其主要影響結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合評價。同時，為了保證CFRP的長期可靠性，還對其性能發(fā)生劣化進(jìn)行了研究。
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