【检测表征】一文详细介绍碳纤维单丝拉伸性能的测试方法及主要设备
由于碳纤维为束丝状纤维，一束碳纤维往往由数千根甚至上万根单丝组成，因此碳纤维的拉伸性能测试方法包括两种：复丝拉伸和单丝拉伸。本文主要介绍了碳纤维单丝拉伸方法及主要设备。碳纤维单丝拉伸强度的实验测试与通常的力学拉伸强度实验方法不同，因其脆性的物理特性使得很难通过采用试验机夹头进行夹持纤维单丝，此外通过直接夹持测试其拉伸强度亦会对碳纤维造成一定的伤害，这常使得实验的断裂模式常发生在夹持处，造成了实验结果的失效。碳纤维单丝拉伸强度检测过程分为：分丝、固定片加固、检测三个步骤，第一步分丝过程比较麻烦，纤维直径仅仅几微米，因此很难分辨是一根还是两根，第二步将挑选后单丝在纸片上进行加固，一旦操作不慎就会导致纤维断裂，在最后测试过程中被测试样的一端夹持在电子式碳纤维强力仪的上夹持器上，试样另一端夹持在下夹持器上，采用恒定的拉伸速度拉伸试样，直至试样断裂。宁波材料所碳纤维及其复合材料团队拥有德国FAVIMAT+型单丝纤维万能测试仪，该装置采用气动夹持，半自动测试的方式，其测力综合装置可以测定普通化纤、高强高模芳纶、高强高模聚乙烯、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、工程用短纤维等高性能纤维（拉伸强度、模量、断裂伸长率）力学性能。以碳纤维单丝力学性能测试为例，对同一根碳纤维单丝的横截面和拉伸强度的组合测量可以将力-伸长率曲线直接转化为应力-伸长率曲线。这是通过将每根碳纤维的单个横截面的cN力归一化来完成的，以在拉伸测试过程中接收以GPa表示的应力。同样，这些应力-伸长率曲线的导数也可以直接以GPa为单位获得，从而可以立即测量。使用FAVIMAT在20根碳纤维样品上测得的最大力-伸长率，应力-伸长率和模量通过上述设备还可利用振法测定纤维线密度，可直接显示线密度单值、平均值和变异系数。在线密度测试时，仪器会在确定的张力和振荡长度下自动确定基本横向振荡的共振频率。鉴于被测材料的密度，可以容易地确定有效横截面，其精度通常比通过光学手段确定的精度更好。可以将测量原理扩展到完整的振动分析，以便确定其他参数，例如弯曲刚度。作为一种通用测试仪，FAVIMAT+型单丝纤维万能测试仪适用于所有类型的纤维，而其优异的长度和力分辨率（低至0.1 µN）使其成为一种有趣的测试仪器，也可用于其他应用，例如对纳米非织造布的拉伸测试。该设备测试符合国家标准GB/T16256-1996、国际标准ISO1973-1995和国际化学纤维标准化局（BISFA）的试验方法标准，适用于单根纤维的线密度测定，可广泛应用于纤维、纺织等生产企业、检验机构和科研单位。碳纤维单丝拉伸性能测试往往需要进行20根单丝甚至更多，才能获得有效值，碳纤维由成千上万根单丝组成，因此单丝拉伸性能很难反映碳纤维拉伸性能真实值，但单丝拉伸性能测试后可以通过单丝强度分度区间对纤维离散性进行综合分析。
