碳纤维是指碳元素质量分数在90%以上的纤维状物质[1-2],是多种复合材料的重要增强体[3],它具有比强度大、比模量高[4],耐热、耐烧蚀性能好[5]、热膨胀系数小[6]、抗热震性能好[7]等一系列优点,广泛应用于航空航天、武器装备及民用领域.碳纤维复合材料的力学性能很大程度上依赖于碳纤维的拉伸性能,因而测定碳纤维的拉伸强度、模量、伸长率对碳纤维复合材料的设计和应用具有重要意义.

碳纤维拉伸性能包括碳纤维丝束和碳纤维单丝的拉伸性能,而碳纤维丝束的拉伸性能取决于碳纤维单丝的拉伸性能.单根碳纤维拉伸性能试验方法GJB 1871—94[8]中,拉伸速率可在0.5～10 mm/min内选择；碳纤维单丝拉伸性能的测定GB/T 31290—2014[9]中,规定的拉伸速率为1～5 mm/min.碳纤维单丝直径通常小于10 μm,拉断单根碳纤维所需载荷通常不足1 N,试验结果易受各种因素影响,如拉伸试验机和载荷传感器的系统误差、拉伸试验参数、试验环境等都会对试验结果产生明显影响.然而,拉伸速率对测得的碳纤维单丝拉伸性能的影响鲜有报道.鉴于此,本试验在尽可能避免外界环境干扰(如震动、噪音等)条件下,考查不同拉伸速率对碳纤维单丝拉伸性能的影响.

1 试验

试验选用T300-12K聚丙烯氰基碳纤维,其单丝直径为7 μm,碳纤维表面无上浆剂,纤维表面形貌与断口形貌如图1所示.可以看出,纤维表面沿轴向有粗浅纹路,断口呈明显的脆性断裂.

  

图1 碳纤维表面及断口SEM形貌Fig.1 SEM images of carbon fiber surface and fracture section

拉伸试样根据单根碳纤维拉伸性能试验方法GJB 1871—1994制作,制样时选厚度为0.1 mm的青稞纸作为铺放碳纤维单丝的纸框,用502粘胶剂将碳纤维单丝粘接在纸框的中心线处,保证粘接点间单丝无明显弯曲,试样有效长度为25 mm,如图2所示.为了获得具有统计规律的结果,每组试样数量不低于40个.

左小龙暗自想，这环境真是太容易防身了。如果从屋子里出来的是他的仇人，在仇人操家伙前，他可以有扳手防身，如果敌人的家伙比自己的家伙长，那水炉砸过去敌人肯定够呛，屋里的人被制服以后，如果外面涌来他的帮手，左小龙则可以用打火机点燃化油器边的汽油，用扳手砸开窗，跳出去以后顺着柴油桶一蹬，然后柴油桶就倒地，自己则可以翻出围墙，顺利脱身。

试验机选用精度为0.5%的MTS E44.304电子式万能试验机,载荷传感器测力0～5 N.选择0.1、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mm/min不同的拉伸速率进行拉伸试验.

  

1.粘结点;2.试样;3.剪切线;4.纸框;5.夹持处图2 试样与纸框粘结示意图Fig.2 Schematic diagram of adherence of sample to paper frame

2 结果分析与讨论

2.1 试验结果

典型的碳纤维在不同拉伸速率下的拉伸曲线如图3所示,单丝拉伸曲线如图4所示.其中P为载荷,ΔL为伸长量.同一速率下的拉伸曲线是40个试样的拉伸数据中,随机抽取15个试样的拉伸数据值,以避免数据过多,造成图形严重重叠.

式中：xi为每个有效试样的测得值;为平均值;n为有效试样数;S与Cv均取2位有效数字.

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图3 不同拉伸速率下碳纤维单丝拉伸载荷-位移曲线

 

Fig.3 Tensile load vs displacement curve of carbon fiber monofilament with different tensile rates

  

图4 碳纤维典型拉伸曲线(v=0.5 mm/min)Fig.4 Typical tensile curve of carbon fiber

2.2 拉伸速率对碳纤维单丝拉伸性能的影响

拉伸强度和表观拉伸弹性模量根据GJB 1871—1994规定的方法计算,断后伸长率计算在GJB 1871—1994和GB/T 31290—2014均未提及,因碳纤维的柔软性,且直径很小,无法将拉断之后的碳纤维断口拼接起来测其断后伸长,文中所述断裂伸长率数据为位移传感器记录的拉断时的伸长量除以标距长度25 mm计算所得.

对碳纤维单丝来说,拉伸速率提高,强度增大,此现象符合普遍规律.

计算变异系数为

 

计算标准偏差为

 

由图3和图4可以明显地看出,碳纤维单丝拉伸载荷与伸长量之间具有线性或近似线性的关系,在拉伸过程中只有弹性变形,没有屈服现象,属于典型的脆性材料.

图5为拉伸速率对碳纤维单丝拉伸强度、表观拉伸弹性模量和伸长率的影响,其中拉伸强度σ、表观弹性模量E和断裂伸长率δ数值均为40个试样所测数据的平均值.

由图5可见,碳纤维单丝的拉伸强度随拉伸速率的提高而增大.强度最大值为3 464 MPa,最小值为2 699 MPa；对数据进行拟合,发现拉伸强度随拉伸速率的规律为指数规律σ=3 481.22-760.37e (-V/2.88),确定系数为0.97,表明拟合结果与试验结果吻合度较高，随拉伸速率的增大,碳纤维单丝的表观拉伸弹性模量略有增大,其最小值为186 GPa,最大值为209 GPa；对数据进行拟合,发现表观弹性模量随拉伸速率的变化规律大致呈线性规律Ea=190.84+1.86v,确定系数为0.70,表明拟合结果与试验结果吻合度较高.断裂伸长率与拉伸速率无明显关系,最大断裂伸长率为1.57%,最小为1.38%.

（viii）通过公式（3）计算确定个体标准决策矩阵（i=1，2，...，10，j=1，2，…，4，y=为了节省篇幅，所有标准决策矩阵省略。

  

图5 拉伸速率对碳纤维单丝拉伸性能的影响Fig.5 Influence of tensile rate on tensile performance of carbon fiber monofilament

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粘弹性变形的重要特点之一是应变滞后于应力[13].拉伸速率较低时,加载时间较长,加载速度较慢,弹性变形和粘性流动基本可同步进行,变形量较大,表现出较低的表观弹性模量；随拉伸速率提高,相当于加载时间缩短,加载速率增大,应变较为明显地滞后应力,即应变不能充分进行,变形量相对较小,表观弹性模量增大.

表观弹性模量随拉伸速率提高而增大,可能与碳纤维拉伸时的粘弹性行为有关.根据Perret和Ruland提出的碳纤维乱层条带模型[10-11],碳纤维内部由平均宽度为5～7 nm的波浪形碳网条带组成,此条带与纤维轴线具有大致相同的取向.当纤维受轴向拉力作用时,条带波浪振幅减小,条带伸长,产生弹性变形；随着弹性变形的发展和条带的逐渐平直化,条带之间的交联作用和机械嵌合作用减弱,不同条带之间可能会产生相对滑动,产生粘性流动；碳纤维受力时总的变形行为表现为粘弹性行为[12].

由图5(c)可知，asp随S的增加而迅速降低，并随S的继续增大而逐渐收敛于特定值.将式(19)代入式(17)可得

图5中同时给出了碳纤维单丝拉伸试验的标准偏差和变异系数.由图可见,碳纤维单丝拉伸试验的标准偏差和变异系数都比较大,这与碳纤维本身的结构特点有关.碳纤维表面和内部通常有各种各样的微观缺陷[14],如内部孔隙、微裂纹,表面沟槽等,微观缺陷的类型、大小、数量和分布对碳纤维单丝的拉伸性能必然产生明显影响[15].碳纤维单丝拉伸试样长度仅为25 mm,不同试样的微观缺陷肯定存在差异,使得不同试样的拉断载荷有较大区别,导致试验结果存在较大的标准偏差和变异系数.由此可见,提高碳纤维质量,减少微观缺陷数量,改善缺陷分布状态仍非常重要.

3 结论

1) 碳纤维单丝拉伸试验时,随拉伸速率提高,碳纤维拉伸强度明显增大,由0.1 mm/min时的2 699 MPa增加到10 mm/min时的3 464 MPa.

2) 表观弹性模量随拉伸速率提高略有增大,基本呈线性规律变化,由0.1 mm/min时186 GPa增加到10 mm/min时的209 GPa.

虽然近年来相关部门出台了一系列鼓励“民参军”的政策性文件，但具体指导民营企业进入军品科研生产名录、协调军地标准化文件、协调军地工作关系、享受税收优惠政策等的配套法规制度，还有待进一步建立健全。

3) 断裂伸长率与拉伸速率无明显关系.最大断裂伸长率为1.57%,最小为1.38%.

参考文献：

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