歐陽婷，費(fèi)又慶,2

(1. 湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 長沙 410082；2. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

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炭纖維單絲壓縮強(qiáng)度及其測試技術(shù)綜述

歐陽婷1，費(fèi)又慶1,2

(1. 湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 長沙 410082；2. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

炭纖維單絲的壓縮性能遠(yuǎn)低于其拉伸性能，而且與成熟的拉伸性能測試方法相比，炭纖維單絲壓縮性能測試技術(shù)發(fā)展較緩慢。綜述了多種炭纖維單絲壓縮性能測試方法，比較了不同方法得到的炭纖維壓縮強(qiáng)度以理解和分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)從結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的角度分析了多種炭纖維單絲壓縮斷裂機(jī)理。

炭纖維；壓縮強(qiáng)度；單絲；測試

0　引　言

炭纖維作為最具潛力的先進(jìn)工程材料，由于其高比強(qiáng)度，高比模量和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及耐腐蝕性等性能在復(fù)合材料的工程應(yīng)用上備受關(guān)注。自20世紀(jì)60年代被開發(fā)以來，炭纖維的研究發(fā)展非常迅速，其產(chǎn)品性能得到大幅度提高。例如聚丙烯腈基炭纖維的強(qiáng)度性能從1970年的2.0GPa提高至目前商用里最高的7.0GPa。而中間相瀝青基炭纖維的強(qiáng)度也從曾經(jīng)的不到2.0GPa到現(xiàn)在最高能達(dá)到4.0GPa。這與研究學(xué)者們對(duì)炭纖維的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝不斷探索研究的努力是分不開的。不斷發(fā)展的炭纖維力學(xué)性能表征和測試技術(shù)對(duì)理解炭纖維結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，推動(dòng)炭纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。而隨著對(duì)復(fù)合材料研究的不斷深入，設(shè)計(jì)人員對(duì)其重要組分材料的性能要求越來越高，這種應(yīng)用需求的不斷拓展推動(dòng)了炭纖維研究的發(fā)展。其中包括對(duì)炭纖維單絲強(qiáng)度表征技術(shù)的發(fā)展。

目前炭纖維單絲拉伸強(qiáng)度的測量技術(shù)非常成熟，然而與之對(duì)應(yīng)的則是尚未標(biāo)準(zhǔn)化測量技術(shù)，無法統(tǒng)一量化指標(biāo)的單絲壓縮強(qiáng)度性能研究。復(fù)合材料在彎曲狀態(tài)下，承載荷的纖維同時(shí)受到拉力和壓縮力，而決定最終性能的正是纖維抗壓縮性能。國外從炭纖維誕生伊始即開展研究，而由于炭纖維的直徑細(xì)，易脆，難操作和對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求高的特性，針對(duì)其單絲壓縮性能的研究相對(duì)比較緩慢。國內(nèi)則是幾年前才開始有課題組系統(tǒng)的研究。鑒于此，本文將國內(nèi)外到目前為止開展的針對(duì)炭纖維單絲壓縮性能的研究結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，希望能為未來這個(gè)方向的研究發(fā)展提供一點(diǎn)線索。

1　單絲壓縮強(qiáng)度測量方法

1.1彈性環(huán)法

彈性環(huán)法是1950年Sinclair[1]提出的以彈性胡克定律為基礎(chǔ)，以拉伸模量和壓縮模量值一致為假設(shè)的測試單絲纖維壓縮強(qiáng)度的方法。該方法將單絲繞成環(huán)狀如圖1所示，兩端則在電機(jī)控制下向外拉伸。絲環(huán)的形狀隨著拉伸的進(jìn)行而逐漸變形，其長短軸距則采用電子顯微鏡實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于彈性纖維而言，其比例為1.34[1]。在環(huán)的曲率最大處絲條承受著拉伸變形，而與此對(duì)應(yīng)的曲率最小處絲條則受到壓縮作用。隨著曲率的不斷減小，纖維進(jìn)入塑性變形區(qū)，長短軸距的比例會(huì)大幅偏離1.34，這時(shí)的所謂屈服應(yīng)變可以由式(1)得到。

圖1　彈性環(huán)法示意圖[2]

此時(shí)的壓縮強(qiáng)度則可以由式(2)計(jì)算得到

(1)

(2)

其中，σ為 壓縮強(qiáng)度；d為纖維直徑，D為環(huán)的短軸直徑(橫軸)；Et為拉伸模量。

該方法操作相對(duì)簡單，原理清晰，然而由于是在拉伸模量和壓縮模量一致的假設(shè)條件下進(jìn)行計(jì)算，這樣得到的強(qiáng)度值存在很大程度上的誤差。同時(shí)由于纖維非常細(xì)，即使用電子顯微鏡觀察，斷裂的時(shí)候仍然很難確認(rèn)是否壓縮的一面斷裂，甚至幾個(gè)組的研究報(bào)告[3-4]顯示斷裂時(shí)的應(yīng)變?yōu)槔鞌嗔褢?yīng)變。多組數(shù)據(jù)[5-6]的比較也可得出使用該方法測得的強(qiáng)度值，普遍比其它方法得到的值要大。Leal等[2]對(duì)彈性環(huán)法的計(jì)算進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于高度取向而造成壓縮模量與拉伸模量差異較大的纖維，引入壓縮模量到式(2)進(jìn)行計(jì)算，以提高表征的精確度。然而由于壓縮模量值需要借助直接壓縮法獲得，該法無法取得廣泛的實(shí)用性。

1.2彎曲梁法

在彎曲梁測試中，單絲纖維或纖維束以粘結(jié)劑粘于梁上，纖維沿梁的長度方向排列，且置于梁的中心位置，粘結(jié)劑應(yīng)控制不厚于10μm以免影響對(duì)彈性梁的受力計(jì)算[7-8]。之后對(duì)試樣梁采用3或4點(diǎn)彎曲形式[9-10]，或是懸臂梁[7,11]的方式進(jìn)行承載分析。懸臂梁的受力示意如圖2所示。由此在假設(shè)纖維與梁完全粘合的情況下，梁在壓縮面發(fā)生的應(yīng)變可等同于纖維收到的壓縮應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)過程中使用電子顯微鏡[8,10]實(shí)時(shí)監(jiān)控判斷纖維壓縮斷裂，壓縮應(yīng)變的測量可由應(yīng)變片或者拉曼頻移[7,9,11]數(shù)據(jù)獲得。

圖2　懸臂梁受力示意圖[7]

Fig2Axialcompressiveandtensilestrainsacrossthethickness,y,ofthebendingbeam[7]

1.3單纖維復(fù)合材料法

單纖維復(fù)合材料法以Hawthorne在1975年提出的方法[12]為典型。該方法將單絲炭纖維埋入方形模具中，澆注環(huán)氧樹脂，待固化后得到試樣(見圖3)。

圖3　單纖維復(fù)合材料法模具與試樣示意圖[12]

Fig3Aluminiumsplitmouldandsinglefibrecompressiontestspecimen[12]

沿纖維軸方向向試樣施加壓縮變形，實(shí)驗(yàn)過程通過高倍電子顯微鏡對(duì)纖維表面進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，直到發(fā)現(xiàn)纖維斷裂即可判斷壓縮應(yīng)變值。應(yīng)變值可由應(yīng)變片[12]測量獲得，也可利用炭纖維的壓阻效應(yīng)測量[13]獲得。

該方法的主要目的是可以以樹脂基體給纖維側(cè)面的支持，使纖維能受到純壓縮載荷。然而該方法仍然利用了拉伸模量進(jìn)行壓縮強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)由于使用了樹脂基體，測量值容易受到基體性能和纖維-基體界面的影響，因而在后來的研究中，該方法的使用并不多見。

1.4斷絲法

與單纖維復(fù)合材料法制樣類似的，是Miwa等于1990年提出的復(fù)合材料斷絲法[14]。長絲纖維在相同的拉伸力作用下浸入樹脂基體制得方形試樣。與上述單絲復(fù)合材料法制樣中將纖維置于方形試樣中間位置不同的是，纖維被放置在離邊緣較近的位置，便于接下來要進(jìn)行的四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的操作和觀察。其試樣和測試裝置如圖4所示。

圖4　斷絲法用四點(diǎn)彎曲制樣及受力示意圖[14]

Fig4Schematicdiagramoffour-pointbendingtestincompression[14]

為了保證在彎曲實(shí)驗(yàn)過程中基體樹脂不會(huì)發(fā)生拉伸斷裂，長方形試樣被放置于模量遠(yuǎn)高于樹脂的磷銅片上，以使試樣只受到純壓縮變形。該方法基于復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度計(jì)算方法，即認(rèn)為在嵌有長絲纖維的復(fù)合材料受到拉伸應(yīng)變大于纖維拉伸斷裂應(yīng)變的情況下，纖維會(huì)在基體里斷成多段，而平均斷絲長度與臨界長度有式(4)的關(guān)系，又有Kelly和Tyson提出的臨界長度與纖維強(qiáng)度關(guān)系[15]如式(5)所示，則界面剪切應(yīng)力可以通過計(jì)算平均斷絲長度獲得。

(3)

(4)

對(duì)于同樣條件下承受壓縮變形的復(fù)合材料而言，由于層間剪切強(qiáng)度拉伸和壓縮條件下可視為一致，則纖維的壓縮強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系可由式(6)表示

(5)

該方法由于基體的存在，亦會(huì)對(duì)測量值產(chǎn)生影響[16]；同時(shí)對(duì)于斷絲分布的Weibull參數(shù)的分析，在壓縮和拉伸條件下是不同的[17]，因而在換算時(shí)也會(huì)受到影響。

1.5拉伸回彈法

1987年Allen[18]在拉伸測試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從能量守恒定律的角度提出了單絲拉伸回彈法計(jì)算壓縮強(qiáng)度。在該測試方法中，纖維按照標(biāo)準(zhǔn)拉伸測試實(shí)驗(yàn)制樣，但是測試時(shí)不對(duì)纖維直接拉斷，而是采用預(yù)應(yīng)力的方式，先拉伸到指定強(qiáng)度，然后以鋒利的剪刀或者電火花等方式將纖維從中部斷開。在預(yù)拉應(yīng)力能量釋放的作用下，彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，促使纖維兩斷頭向夾持處端頭移動(dòng)，遇到夾持固定端之后又重新轉(zhuǎn)換為壓縮應(yīng)變能，如果該回彈壓縮強(qiáng)度超過纖維能承受的壓縮強(qiáng)度范圍，纖維發(fā)生斷裂(圖5)。對(duì)纖維的受力分析是在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上展開的：(1) 纖維符合胡克彈性定律;(2) 兩夾持端是剛性無任何的形變;(3) 剪斷的瞬間纖維斷頭無初速度;(4) 斷裂處的拉伸強(qiáng)度平均分布在纖維長度方向上。

圖5　拉伸回彈法測試步驟[26]

通過對(duì)纖維進(jìn)行不同預(yù)拉伸強(qiáng)度數(shù)值的多次實(shí)驗(yàn)觀察后，取50%破壞概率為該測試?yán)w維的回彈壓縮強(qiáng)度[19]。該方法相對(duì)其它方法制樣簡單，無纖維-界面問題，主要利用現(xiàn)有的拉伸強(qiáng)度測量儀，無需額外專用設(shè)備，因而在應(yīng)用上相對(duì)較廣。然而由于該方法理論需要建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，實(shí)際操作過程中的任何偏離均會(huì)造成該方法應(yīng)用上的局限性[5,19-22]。例如剪斷纖維時(shí)可能導(dǎo)致動(dòng)態(tài)波動(dòng)，使得回彈斷頭初速度不為零；在剛性夾持端可能產(chǎn)生部分能量衰減；在斷裂處可能發(fā)生彎曲斷裂而非純壓縮斷裂；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分析方法的差異亦會(huì)產(chǎn)生誤差[5,19,23]等。

1.6直接測量法

盡管難度比較大，然而隨著科技的發(fā)展，人們?nèi)匀辉谔剿鹘⒅苯拥臏y量系統(tǒng)[24-29]來測試炭纖維的壓縮強(qiáng)度，獲得壓縮應(yīng)力-應(yīng)變圖。直接測量法主要是對(duì)單絲短纖進(jìn)行軸向壓縮，通過應(yīng)變放大器獲取微小的位移數(shù)據(jù)。在圖6(a)所示微力壓縮實(shí)驗(yàn)裝置中[24-25,27,30]，試樣被粘接在鋼片上與加載單元連接，加載單元包括減速齒輪和微型同步電機(jī)以控制加載速度，另一端的載荷單元與應(yīng)變放大器連接，在平行于纖維軸向，垂直于截面的方向上對(duì)纖維的軸向壓縮變形值進(jìn)行記錄。在懸臂梁加載裝置(圖6(b))中[26,28-29]，則是以懸臂梁純彎曲時(shí)截面的靜力關(guān)系理論為基礎(chǔ)，通過記錄懸臂梁在壓縮單絲試樣過程中的微小變形，計(jì)算使懸臂梁發(fā)生純彎曲的外力F(即為炭纖維絲的壓縮力)得到纖維的壓縮破壞力，進(jìn)而求得壓縮強(qiáng)度。

圖6微力壓縮實(shí)驗(yàn)裝置[25]和懸臂梁加載壓縮實(shí)驗(yàn)裝置[26]

Fig6Micro-mechanicalcompressiontester[25]andcompressiondevicewithcantileverbeam[26]

該方法可能存在的誤差主要來自機(jī)器柔量，制樣時(shí)試樣粘結(jié)效果以及平行定位置樣的影響。在Oya等[26]對(duì)PAN系炭纖維的研究中發(fā)現(xiàn)，由于應(yīng)力衰減長度的存在[31-32]，單絲樣品長度的選用對(duì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，超過20μm的樣品長度，會(huì)使得樣品在測試過程中發(fā)生屈曲現(xiàn)象。因而直測法的使用，需要選用合適的跨距長度和對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析。

2　單絲壓縮強(qiáng)度測量方法比較

單絲壓縮強(qiáng)度測量的難度很大，主要由于[6,33]：(1) 壓縮發(fā)生點(diǎn)和壓縮模式的判定比較困難；(2) 大部分的單絲壓縮測量方法測量的是壓縮應(yīng)變，將拉伸模量引入計(jì)算得到的壓縮強(qiáng)度，而往往壓縮模量與拉伸模量值并不一致，一般低于后者，導(dǎo)致計(jì)算出的壓縮強(qiáng)度偏高。業(yè)界對(duì)于單絲壓縮強(qiáng)度測量的意義也有爭議[34]，有人認(rèn)為纖維在應(yīng)用中通常是成束絲在復(fù)合材料中應(yīng)用，因而通過復(fù)合材料的壓縮實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更有意義。然而復(fù)合材料法中由于基體界面的影響會(huì)導(dǎo)致對(duì)纖維本身壓縮性能的誤判[35-37]，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的考察，無法回饋于纖維制備環(huán)節(jié)，因而單絲測量仍具有不可替代的意義。

表1列舉了幾種典型的PAN系和瀝青系炭纖維的單絲壓縮強(qiáng)度在不同測量方法下的對(duì)比數(shù)據(jù)。其中列舉了束絲單向復(fù)合材料法的數(shù)據(jù)，作為參考數(shù)據(jù)與其它方法進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于彎曲梁法、斷絲法及單絲復(fù)合材料，由于均涉及到基體相的使用，影響因素較復(fù)雜，在研究單絲的壓縮行為模式方面不具備優(yōu)勢(shì)，因而沒有廣泛使用，早期的部分測試數(shù)據(jù)可以參考文獻(xiàn)[6]。

表1典型PAN系和瀝青系炭纖維的單絲壓縮強(qiáng)度在不同測量方法下的對(duì)比數(shù)據(jù)

Table1CompressivestrengthvaluesobtainedfromdifferenttestsforPANandmesophasepitchbasedcarbonfibers

FiberTensilestrength/GPaTensilemodulus/GPaCompressivestrength/GPaLoopRecoilDirectFromCompositeMP-basedNT-202.82012.6[5]1.8[5]1.2[5]NT-403.54002.0[5]1.9[5]1.1[5]NT-603.05951.8[5]0.7[5]0.8[5]P551.93800.5[20];0.8[19]0.85[38-39]P752.05100.5[20];0.8[19]0.69[38]P1002.26900.4[20];0.5[19]0.48[38-39]P1202.28200.3[40]0.45[38-39]PAN-basedT3003.532353.7[5]1.0[26]0.53[26],1.8[28]2.88[38]T700S4.902301.6[26]0.6[26],2.4[28]T800H5.492944.4[5]1.6[26]0.7[26],2.3[28]T10007.062942.2[26]0.91[26],2.8[28]M402.743902.3[5]1.2[5]1.6[38]M40J4.413771.0[26]0.61[26],1.8[28]2.33[38]M50J3.924750.7[26]0.6[26],1.3[28]M60J3.925880.5[26]0.58[26],1.0[28]1.67[38]

由表1可以看到，彈性環(huán)法得到的壓縮強(qiáng)度數(shù)據(jù)明顯高于其它方法，除了前文提到的引入拉伸模量而不是壓縮模量進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)致的差異外，主要由于彈性環(huán)法是產(chǎn)生非軸向的壓縮變形，因而壓縮應(yīng)力的分布不均，產(chǎn)生的應(yīng)變中軸也由于拉伸模量和壓縮模量的差異而向一邊偏移[41]，對(duì)炭纖維而言，由于拉伸模量相較壓縮模量高，通常是向拉伸端偏移。又由于炭纖維是細(xì)且不透光的，因而通過顯微鏡很難準(zhǔn)確判斷是否在壓縮面斷裂。另一原因在于彈性環(huán)法實(shí)際上代表的是超短跨距測試(小于1mm)因而測試出的數(shù)據(jù)比較其它方法會(huì)高一些。

將拉伸回彈法得到的數(shù)據(jù)與復(fù)合材料法數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于中間相瀝青基炭纖維而言，兩組數(shù)據(jù)比較接近，而PAN系炭纖維的拉伸回彈數(shù)據(jù)則明顯低于復(fù)合材料法[19-20,40]。主要是由于PAN系炭纖維較中間相瀝青系炭纖維更細(xì)，且在拉伸回彈實(shí)驗(yàn)中，承受的拉伸預(yù)應(yīng)力更大，因而在回彈的過程中更傾向于發(fā)生彎曲斷裂而不是純壓縮斷裂[22]中也有描述，對(duì)于高強(qiáng)的PAN系炭纖維壓縮斷裂機(jī)制以先發(fā)生扭結(jié)而后發(fā)展成彎曲斷裂為主，而對(duì)高模量的中間相瀝青基炭纖維，則是以45°的斜切壓縮斷裂機(jī)制為主。

直測法的兩次數(shù)據(jù)是同一組研究人員對(duì)測量設(shè)備改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)[26,28]。主要是將加載方式進(jìn)行改進(jìn)，由難以精確控制的懸臂梁移動(dòng)加載改進(jìn)為由微型電機(jī)控制的單絲纖維固定臺(tái)向固定的懸臂梁移動(dòng)加載發(fā)生壓縮變形。由于加強(qiáng)了可控性，兩次結(jié)果差異較大，改進(jìn)后的儀器測量結(jié)果明顯高于改進(jìn)前的數(shù)據(jù)。由此可以知道，直測法對(duì)儀器的精密度和控制要求很高，制樣等的差異也易引起較大的誤差。對(duì)比拉伸回彈數(shù)據(jù)可以看到，直測法得到的數(shù)據(jù)較高，前者是后者的0.5～0.78之間。這與Shioya等研究的另一批PAN系和瀝青系炭纖維的單絲壓縮強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)相符[27]，他們以拉伸回彈法得到的壓縮強(qiáng)度是直測法數(shù)據(jù)的0.74左右。值得注意的是與彈性環(huán)法比較，直測法中的樣品長度更短(20～500μm)，而得到的數(shù)據(jù)卻沒有更高，表明彈性環(huán)法數(shù)據(jù)的確存在高估。直測法雖然對(duì)儀器和操作等要求較高，但能得出相對(duì)可信的數(shù)據(jù)。由于拉伸回彈法中易發(fā)生彎曲而非純壓縮斷裂，在Hayes等的研究中發(fā)現(xiàn)埋于樹脂中支撐端纖維的斜切斷裂現(xiàn)象[19]，表明一部分的應(yīng)變能被纖維粘結(jié)在紙框上的支撐端吸收，因而得到的拉伸回彈強(qiáng)度值普遍偏低。但拉伸回彈法由于其操作簡單，可用于大批量炭纖維的相對(duì)壓縮強(qiáng)度值的比較[27]。該方法在碳納米管纖維[42]和碳納米管接枝中間相瀝青炭纖維[43]的壓縮強(qiáng)度測試之中也得到應(yīng)用。

3　單絲壓縮強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)關(guān)系

單絲炭纖維壓縮強(qiáng)度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確表征和測量方法的合理應(yīng)用直接影響著研究者們對(duì)于單絲壓縮行為特征及其結(jié)構(gòu)影響因素的考察。Dobb等利用SEM觀察拉伸回彈測試中收集的單絲斷面，提出了針對(duì)高模和高強(qiáng)炭纖維的兩種不同壓縮斷裂模式[20]。對(duì)于PAN系和低模中間相瀝青炭纖維而言，在壓縮力作用下，纖維發(fā)生屈曲，在壓縮端產(chǎn)生屈曲扭結(jié)，而后隨著應(yīng)力的發(fā)展，拉伸面出現(xiàn)裂縫，與扭結(jié)裂縫相遇，進(jìn)而發(fā)生斷裂。對(duì)于高模中間相瀝青炭纖維而言，由于其高取向和片狀晶體結(jié)構(gòu)的存在，更易于在層間剪切應(yīng)力的作用下斷裂，因而表現(xiàn)出斜切壓縮斷裂模式。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)作出的PAN系和中間相瀝青系炭纖維的壓縮強(qiáng)度與拉伸模量關(guān)系的趨勢(shì)圖(見圖7)可以看出,PAN系炭纖維的壓縮強(qiáng)度比瀝青系高，且均隨著各自拉伸模量的增大而減小。同時(shí)即使是拉伸模量一致的情況下，PAN系的壓縮強(qiáng)度也比瀝青系炭纖維的要高[38]。

圖7PAN系和瀝青系炭纖維壓縮強(qiáng)度與拉伸模量的關(guān)系

Fig7CompressivesstrengthversustensilemodulusforPANandpitchbasedcarbonfibers

研究者們應(yīng)用小角、廣角X射線，拉曼光譜和高分辨透射電鏡等結(jié)構(gòu)表征手段比較了PAN系和瀝青系炭纖維的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)微晶尺寸的增大，沿纖維軸向的取向度的增大，密度的增加，晶面層間距的減小，和微空隙的增加，均會(huì)導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度的下降。Kumar[38]的研究表明，壓縮強(qiáng)度隨著模量增加而下降的原因可能更多是因?yàn)榫娉叽绲脑龃蠖侨∠蚨鹊脑龃蟆r青系炭纖維的強(qiáng)各向異性和弱層間力使得其剪切強(qiáng)度(0.04～0.17GPa)遠(yuǎn)低于亂層石墨結(jié)構(gòu)下的PAN系炭纖維(0.5～1.7GPa)[6,47]。二者的壓縮強(qiáng)度均隨著剪切模量的增大而增大(見圖8)[48]。

圖8PAN系和瀝青系炭纖維壓縮強(qiáng)度與剪切模量的關(guān)系[48]

Fig8CompressivesstrengthversusshearmodulusforPANandpitchbasedcarbonfibers[48]

從微結(jié)構(gòu)的角度研究者們一直在探索炭纖維的壓縮斷裂模型。早期人們由于采用彈性環(huán)法偏高的數(shù)據(jù)而認(rèn)為壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)相仿，則適用于拉伸斷裂的Sharp-Reynolads模型[49]同樣可以適用于壓縮斷裂分析，認(rèn)為炭纖維斷裂是由于剪切導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能在存在位錯(cuò)(約45°)的微晶片層中釋放而來[6,10]。然而隨著對(duì)測試技術(shù)的認(rèn)識(shí)不斷深入和更新，得到的炭纖維壓縮強(qiáng)度一般在其拉伸強(qiáng)度的30%～50%左右[28-29, 50],使得研究者們紛紛質(zhì)疑拉伸斷裂模型對(duì)壓縮斷裂行為描述的適用性。Nakatani等[25]采用直測法研究炭纖維的壓縮強(qiáng)度并通過對(duì)不同受力變形模式下可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，認(rèn)為雖然斜45°壓縮斷面的表明了在壓縮過程中，剪切應(yīng)力超過纖維的剪切強(qiáng)度而導(dǎo)致的斷裂，但不太可能是微晶面的層間剪切斷裂引致了炭纖維的壓縮斷裂，否則壓縮強(qiáng)度值應(yīng)與拉伸強(qiáng)度值相似，因?yàn)榫鎸娱g剪切應(yīng)力在拉伸和壓縮的條件下應(yīng)當(dāng)是一致的。而后他們提出壓縮斷裂是從單層炭微晶層的屈曲變形開始的，在此模式下進(jìn)行分析，得到式(6)中結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓縮強(qiáng)度關(guān)系式。由此得出炭纖維的壓縮強(qiáng)度與微晶晶片尺寸及微空隙數(shù)目關(guān)系不大，與晶片高度及微空隙的大小有關(guān)。

(6)

其中，E0為石墨網(wǎng)面方向上模量1 020GPa，ρ0為石墨晶體密度2.26g/cm,ρf為炭纖維密度，d002為晶面層間距，S3為平均微孔隙截面積，α為微孔隙軸向長度與截面直徑之比。

Oya等[28]和Yoshiki等[30]也利用直測法配合結(jié)構(gòu)參數(shù)研究手段對(duì)高強(qiáng)和高模PAN系炭纖維進(jìn)行了研究，證實(shí)了微空隙大小對(duì)壓縮強(qiáng)度影響的重要性，認(rèn)為壓縮斷裂是從由于存在微空隙而無支撐的炭微晶層處發(fā)生的。Nakatani等[51]以聚偏氟乙烯制得的炭纖維中，得到的空隙尺寸非常小(平均微孔隙截面積S3=0.83nm[2]遠(yuǎn)小于PAN系和瀝青系炭纖維的4～15nm[2])，而其壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度之比達(dá)到了1.9，認(rèn)為從側(cè)面證實(shí)了空隙尺寸對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響。Tanaka等[9]則利用四點(diǎn)彎曲梁法研究了PAN系和瀝青系不同模量炭纖維的壓縮斷裂行為，并按式(6)計(jì)算，但與實(shí)測值較大的差異使其認(rèn)為之前提出單片炭微晶層的屈曲壓縮斷裂模式并不準(zhǔn)確，而提出應(yīng)將纖維作為晶體與無定形部分復(fù)合的復(fù)合材料來整體考慮，應(yīng)采用復(fù)合材料的扭結(jié)壓縮斷裂公式對(duì)炭纖維的壓縮斷裂行為進(jìn)行描述，由此推論炭纖維的壓縮強(qiáng)度主要受到纖維剪切模量和微晶取向度的影響。

4　結(jié)　語

相較于其卓越的拉伸機(jī)械性能，炭纖維單絲壓縮性能一直比較低。自炭纖維誕生之日起，研究者們即展開大量的研究，探索了多種測試方法，但作為直徑非常細(xì)的脆性材料，目前炭纖維的壓縮性能測試一直存在各種各樣的問題而無法標(biāo)準(zhǔn)化。然而作為連接炭纖維研制與應(yīng)用的橋梁，其評(píng)價(jià)表征方法的建立不可或缺，隨著科技的發(fā)展對(duì)測量儀器精度的不斷推進(jìn)，直接測量法有望成為標(biāo)準(zhǔn)化測量方法的主要發(fā)展方向。

在對(duì)測試方法不斷改進(jìn)的過程中，研究者們結(jié)合了小角、廣角X射線，拉曼光譜和高分辨透射電鏡等結(jié)構(gòu)表征手段，不斷深入對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與壓縮性能之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，并提出了多種炭纖維單絲壓縮斷裂機(jī)理以探索提高炭纖維壓縮性能的途徑，然而目前仍未形成統(tǒng)一的理論認(rèn)識(shí)以有效的指導(dǎo)提高炭纖維壓縮強(qiáng)度，可以預(yù)見，為了廣泛拓展炭纖維復(fù)合材料在各工況下的工程應(yīng)用，這仍然是未來炭纖維研究和生產(chǎn)中亟待解決的問題之一。

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Compressivestrengthanditstestmethodsofcarbonfibers

OUYANGTing1,FEIYouqing1,2

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China;2.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,

HunanUniversity,Changsha410082,China)

Inferioraxialcompressivestrengthincomparisonwithtensilestrengthofcarbonfibershasalwaysbeenapromptinresearchofimprovingitscompressiveproperties.However,comparingwithwelldevelopedtechniquesformeasuringtensilepropertiesofcarbonfibersandcomposites,accuratemeasurementofcompressivepropertieshasnotbeenwithoutproblem.Differenttestmethodsfordetermingthecompressivestrengthofsinglecarbonfibershavebeenreviewedhere.Thetestingresultswerecomparedandanaylzedtoindicatetheirapplicability.Possiblecompressivefailuremechanismsinrelatetomicrostructureofcarbonfiberswerediscussed.

carbonfibers;compressivestrength;singlefilament;testingmethods

1001-9731(2016)05-05036-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(531107022124)

2015-02-15

2015-11-26 通訊作者：歐陽婷，E-mail:oyt@hnu.edu.cn

歐陽婷(1983-)，女，湖南株洲人，助理教授，博士，主要從事炭纖維成型加工和測試表征研究。

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10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.007