不同直径国产高强中模碳纤维的压缩性能研究

在本公众号前面文章中：不同直径国产T800级高强中模碳纤维结构对比，介绍了中科院宁波材料所特种纤维事业部开发出了细直径、粗直径两种不同规格的国产T800级高强中模碳纤维，并针对其微观结构差异进行了详细研究。

之所以研制不同直径规格的碳纤维，其主要目的在于考量直径对碳纤维及其复合材料压缩强度的影响规律。随着碳纤维复合材料应用领域日益广泛，复合材料角色也已经由原来次承力部件转变为主承力部件，因此碳纤维及其复合材料的压缩性能越来越受到重视。

碳纤维压缩强度的测试方法

目前碳纤维纵向压缩性能常用的的测试方法包括拉伸回弹法，弯曲梁法，单纤维复合材料法、弹性环法等。

单纤维复合材料法和弯曲梁法测试时，碳纤维必须埋在基体树脂中，因此测试结果不可避免会受到树脂性能影响，而弹性环法难以操作研究较少。

目前对碳纤维压缩性能的测试多采用Deteresa 等于1987年报道的拉伸反弹法，该方法样简单，对设备仪器的要求较低，可快速有效获得碳纤维压缩强度。

碳纤维压缩强度的影响因素

碳纤维的压缩强度与拉伸模量、纤维内部微晶取向有关，主要关系如图1所示，可以看出碳纤维拉伸模量越高，纤维的压缩强度也就越低。

图1 碳纤维压缩强度与拉伸模量、微晶取向关系

Z角度代表了碳纤维内部石墨微晶取向，数值越小，代表纤维取向越高，从上图看出碳纤维Z数值越小、内部微晶取向越高，碳纤维压缩强度也就越低。

一般而言，对于碳纤维来说，纤维单丝越细，柔韧性越好，碳纤维的压缩强度也越高，但是碳纤维直径与压缩强度之间的规律会随着碳纤维种类不同而难以确定。

以日本东丽为例，标准模量级T300、高强中模级T1000G、高模量M60J级碳纤维压缩强度如表1所示，当碳纤维直径由T300级的7μm下降到T1000G级的5μm时，碳纤维压缩强度提高了1.0GPa。

表1 日本东丽碳纤维压缩强度

（来源：Bradley A. Newcomb, Han G. Chae. The properties of carbon fibers ）

但高强中模和高模级碳纤维而言，两者直径均为5μm，压缩强度和压缩模量差异较大，由此可见对于不同类型的碳纤维而言，纤维直径与其压缩强度无法建立直接对应关系。

国产高强中模碳纤维压缩强度研究

为了详细探究纤维直径对碳纤维压缩强度影响，中科院宁波材料所科研人员在吨级碳纤维柔性制备技术平台相继开发了不同直径规格的国产高强中模碳纤维。

几种不同直径规格的国产高强中模碳纤维力学性能与日本东丽高强中模碳纤维对比如下表2所示。

表2 宁波所研制不同直径高强中模碳纤维与国外性能对比

利用拉伸回弹法对五种不同直径规格的国产高强中模碳纤维压缩强度进行了测试，结果如图2所示，当碳纤维直径逐渐增加时，碳纤维的拉伸强度、压缩强度均出现了先降低后增加现象，也验证了碳纤维直径与压缩强度间不存在单一的关系。

图2 碳纤维直径与压缩强度、拉伸强度间关系

直径对国产高强中模碳纤维结构影响

研究人员进一步利用X射线衍射仪针对不同直径规格的国产高强中模碳纤维微晶结构进行了深入剖析，不同直径对碳纤维微晶层间距影响如图3所示，可看出随着碳纤维直径增加，纤维内部微晶层间距d002呈现下降趋势。

图3 直径对国产高强中模碳纤维微晶层间距的影响

碳纤维微晶的基面宽度与压缩强度之间的关系如图4所示，可看出随着纤维内部微晶结构基面宽度的增加可有效提升碳纤维的压缩强度，而通过控制直径粗细可以实现微晶基面宽度调控。

图4 碳纤维微晶基面宽度与压缩强度间关系

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