上海湘杰淺談碳纖維拉伸性能的測試方法

摘要：本文主要以一種鍍復(fù)碳纖維進(jìn)行的強(qiáng)力伸長測試實(shí)驗(yàn)，論述了碳纖維強(qiáng)力伸長的測試方法和測試要求，以期幫助相關(guān)人員找到實(shí)用的碳纖維拉伸性能的檢測方法。

關(guān)鍵詞： 碳纖維強(qiáng)力拉伸測試

1引言

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度是鋼的7~4倍。碳纖維主要有兩種生產(chǎn)方式，一種是以聚丙烯腈為原料的PAN基體碳纖維，另一種是瀝青基的碳纖維。由于原料、模量、強(qiáng)度和后的熱處理溫度不同，產(chǎn)生了特性不同的纖維，前者硬而脆的常用于復(fù)合材料，軟而柔順的常用于紡織；后者多被用于工程用料。

由于碳纖維技術(shù)的發(fā)展、成本的降低和產(chǎn)品產(chǎn)量的增加，除了在航空航天以及體育用品應(yīng)用外,還廣泛應(yīng)用于建筑、運(yùn)輸、能源等領(lǐng)域；碳復(fù)合材料既可以作為結(jié)構(gòu)材料承載重荷又可以作為功能材料發(fā)揮作用，已經(jīng)成為某些制品的材料。碳纖維的碳化溫度1000℃～2000℃，高溫段產(chǎn)生高模量纖維，中溫段產(chǎn)生高強(qiáng)度纖維，低溫段生產(chǎn)低模量、低強(qiáng)度纖維；碳纖維具有一定的導(dǎo)電性能。碳纖維織物的外觀類似于著色絲綢，但是其抗拉、剪切強(qiáng)度是相當(dāng)?shù)?。?dāng)然，研究碳纖維織物強(qiáng)度還要從其單纖維開始。

目前，日本在碳纖維的研究比較前沿、標(biāo)準(zhǔn)完善，例如：JISK 1474活性碳試驗(yàn)方法、JIS R 7601 碳纖維試驗(yàn)方法、JIS K 1477 纖維狀活性碳試驗(yàn)方法；標(biāo)準(zhǔn)也有ISO 11566 碳纖維單纖試樣拉伸性能的測定。由于碳纖維的特殊性能，碳纖維強(qiáng)力拉伸性能測試比較困難，本文參照了這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試研究。

碳纖維的拉伸性能測試分單絲法和復(fù)絲法。碳纖維分離成為單纖維以后非常脆弱，剪切強(qiáng)度很低，稍有不慎就會斷裂，因此在每次試驗(yàn)過程中，需要細(xì)心、耐心，不要對試樣造成損傷。單纖維強(qiáng)伸性能試驗(yàn)通常采用紙框法固定試樣，當(dāng)然也不排除其他方法。

2測試材料與儀器

以丙烯腈為原料的PAN基體的鍍復(fù)碳纖維，取樣盤，碳纖維強(qiáng)力機(jī)。

3 測試方法

3.1測試標(biāo)準(zhǔn)

國家碳纖維單根纖維拉伸性能測試標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布；國外采用標(biāo)準(zhǔn)：ISO11566 《碳纖維單纖試樣拉伸性能的測定》、JIS R 7601《碳纖維試驗(yàn)方法》、JIS K1477《纖維狀活性炭試驗(yàn)方法》，主要指標(biāo)如下：

日本標(biāo)準(zhǔn)（JIS）的拉伸隔距10mm，拉伸速度0.5mm～10mm，采用襯紙固定試樣，圖示如下。

標(biāo)準(zhǔn)（ISO）的拉伸隔距25mm，拉伸速度1mm～5mm，采用襯紙固定試樣，圖示如下。

鑒于試樣的難以測試，國外標(biāo)準(zhǔn)固定試樣都有一個共同點(diǎn)：將單根碳纖維用松香或其它粘合劑固定在襯紙上。本試驗(yàn)參照國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合形成。調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣按GB 6524執(zhí)行：溫度為（20±2）℃,相對濕度（65±3）%。

3.2 測試過程

3.2.1測試材料與制備

剪取適當(dāng)長度的該碳纖維試驗(yàn)樣品,用鋼針沿著纖維方向?qū)⑵浞蛛x，使試驗(yàn)樣品蓬松便于抽取。用取樣盤來盛取試樣，為保證測得結(jié)果的準(zhǔn)確性，不能對碳纖維造成任何損傷。采用國外標(biāo)準(zhǔn)制作襯紙很麻煩，在試驗(yàn)過程中我用電腦制圖找到一個簡單易行的方法。取0.1mm左右厚的打印紙做基片；按圖1尺寸用Word制圖，劃出一個尺寸合適的框，復(fù)制滿A4紙打?。▓D1是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸時，裁切線的長度應(yīng)增加一倍）；直尺放與裁切線吻合后用刀片沿裁切線將實(shí)線部分裁除，然后兩端貼上5mm寬的雙面膠紙；抽取分離的單根碳纖維試驗(yàn)樣品，沿中心虛線放上，并用雙面膠紙固定。也可以用融化后的松香，將單根碳纖維 “焊接”在紙框上，其“焊點(diǎn)”起到固定單根碳纖維的作用（試驗(yàn)證明：采用“焊接”方式?jīng)]有雙面膠紙固定方式好用，而且夾持試樣時要離開“焊點(diǎn)”）；再用8～10mm寬的紙條，沿著裁切線寬度方向覆蓋雙面膠紙和試驗(yàn)樣品端頭，沿剪切線剪切，分離成固定在單個紙框上的待測試樣。注意：碳纖維的取樣比較困難，尤其處理后的碳纖維，很細(xì)，也很難分辨是一根還是兩根，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中曲線對比進(jìn)行判斷如果記錄下的曲線斜率明顯大于其他試樣的很有可能是兩根纖維，必要時可以用放大鏡配合取樣。

將準(zhǔn)備好的試樣放置在對比度比較大的紙上，以便清楚分辨試樣位置，為了清楚觀察試樣，好準(zhǔn)備一個冷光源臺燈。臺燈放置不能太近，以免熱空氣導(dǎo)致的氣流引起試樣的飄動。

3.2.2測試

測試程序與儀器型號有關(guān)系。不同儀器型號其測試過程不同。下面分別用兩種單纖維強(qiáng)力儀的操作過程加以說明。打開儀器電源開關(guān)，設(shè)定操作程序，根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定所需隔距，例如：25mm、50mm，本次實(shí)驗(yàn)取50mm。

按試驗(yàn)要求設(shè)定試驗(yàn)拉伸速度（1～5）mm/min，本實(shí)驗(yàn)?。?mm/min，如果采用松香固定試樣時，上、下夾持器夾持試樣時要離開“焊點(diǎn)”，以免試樣脫落和斷裂。

被測試樣的一端夾持在電子式碳纖維強(qiáng)力儀的上夾持器上，試樣另一端夾持在下夾持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸試樣，直至試樣斷裂。記錄單次值的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長等技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)束后儀器自動給出所有技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值。和PC機(jī)聯(lián)機(jī)可獲得實(shí)時曲線，便于分析技術(shù)數(shù)據(jù)。

3.2.2.1氣動夾緊的拉伸試驗(yàn)

將上述準(zhǔn)備好的待測試樣一端沿著裁切線寬度邊緣，用上夾持器夾緊，另一端沿著裁切線寬度邊緣被下夾持器夾緊，并將夾緊的待測試樣兩側(cè)剪斷，按“拉伸”，使下夾持器下行，試樣斷裂后，下夾持器自動返回。重復(fù)測試過程，做完設(shè)定次數(shù)。儀器會在試驗(yàn)過程中自動打印試驗(yàn)記錄。由于夾持器沒有直接夾持試樣，減少了試樣斷裂在鉗口的概率。該測試適用于氣動夾緊夾持器的儀器。

如需聯(lián)機(jī)，應(yīng)在開啟電源前接好PC接口，開啟電腦、啟動程序，根據(jù)要求設(shè)定數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)。

3.2.2.2手動夾持器夾緊的直接拉伸試驗(yàn)

由于社會上手動夾持、通用的單纖維強(qiáng)力儀較多，我曾經(jīng)在上面做過大量試驗(yàn)。這一類單纖維強(qiáng)力儀的夾持器不適合襯紙固定試樣，只有用傳統(tǒng)方式夾持拉伸，實(shí)踐證明：只要儀器技術(shù)達(dá)標(biāo)，細(xì)心一些也可以作，但是手法很重要。

將上夾持器取下平放在襯墊上，把一束碳纖維試驗(yàn)樣品放在夾持器左前方；右手向右抽取一根碳纖維，左手推動夾持器（注：右手不動），配合碳纖維導(dǎo)入夾持器鉗口內(nèi)適當(dāng)?shù)拈L度，右手脫開試樣，左手旋緊夾持器。

左手把夾持器掛在傳感器的吊鉤上，這時試樣呈自然懸垂?fàn)顟B(tài)，右手輕輕將碳纖維導(dǎo)入下夾持器內(nèi)，左手將下夾持器旋緊；按“拉伸”鍵下夾持器開始下行，試樣斷裂后下夾持器自動返回。重復(fù)此過程以完成設(shè)定次數(shù)，儀器會在試驗(yàn)過程中自動打印試驗(yàn)記錄。在實(shí)驗(yàn)中，如果試樣經(jīng)常斷裂在鉗口，可以考慮在鉗口包覆一層襯墊。

4結(jié)果與分析

試驗(yàn)按照3.2.1制備了試樣，采用3.2.2.1描述的方法進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)測數(shù)據(jù)見下表：

數(shù)據(jù)報(bào)表

試驗(yàn)員: 標(biāo) 準(zhǔn): ISO11566 批號: 樣品名稱:鍍復(fù)碳纖維

隔距: 50 mm 速度: 2 mm/min 溫濕度: 22℃ 60 % 次數(shù): 20

次數(shù)	斷裂強(qiáng)力 cN	斷裂伸長 mm	伸長率 %	斷裂功 mJ	斷裂時間 s	屈服強(qiáng)力 cN	屈服伸長 mm	初始模量 cN/tex
001	18.6	1.06	2.121	0.096	31.813	18.57	2.12	0.846
002	20.5	1.165	2.33	0.112	34.945	20.5	2.32	0.8
003	19.4	1.056	2.113	0.098	31.688	19.42	2.12	0.85
004	18.8	1.094	2.188	0.097	32.816	18.75	2.18	0.775
005	19.6	1.182	2.363	0.107	35.446	19.56	2.36	0.709
006	18	1.065	2.129	0.091	31.939	17.95	2.12	0.769
007	19.9	1.152	2.305	0.108	34.569	19.88	2.3	0.781
008	21.6	1.236	2.472	0.126	37.074	21.63	2.48	0.775
009	19.2	1.094	2.188	0.102	32.816	19.25	2.18	0.826
010	18.9	1.106	2.213	0.098	33.191	18.85	2.22	0.765
011	17.8	1.073	2.146	0.089	32.189	17.84	2.14	0.739
012	17.8	1.035	2.071	0.091	31.062	17.84	2.08	0.824
013	18	1.077	2.154	0.093	32.315	17.99	2.16	0.773
014	21.8	1.232	2.463	0.131	36.949	21.81	2.46	0.82
015	19.2	1.198	2.396	0.108	35.947	19.17	2.4	0.713
016	17.5	1.052	2.104	0.086	31.563	17.5	2.1	0.751
017	19.7	1.182	2.363	0.109	35.446	19.7	2.36	0.731
018	17.6	1.106	2.213	0.09	33.191	17.6	2.22	0.691
019	20.5	1.223	2.447	0.118	36.698	20.5	2.44	0.743
020	17.8	1.052	2.104	0.091	31.563	17.84	2.1	0.796
平均值	19.11	1.122	2.244	0.102	33.661	19.108	2.243	0.774
大值	21.8	1.236	2.472	0.131	37.074	21.81	2.48	0.85
小值	17.5	1.035	2.071	0.086	31.062	17.5	2.08	0.691
CV%	6.738	5.998	5.998	12.364	5.997	6.746	5.987	5.854

圖2強(qiáng)力-伸長曲線

從測得數(shù)據(jù)來看出了單根碳纖維的特性：斷裂強(qiáng)力比較小，斷裂伸長率很小，拉伸曲線呈線性，屈服點(diǎn)和斷裂點(diǎn)幾乎吻合。

5 結(jié)論

碳纖維單根拉伸性能檢測的難點(diǎn)在于其剪切強(qiáng)度很低，稍有不慎就會斷裂，通過3.2.1描述的試樣制備后，試驗(yàn)就會比較容易。在國外標(biāo)準(zhǔn)試樣制備固定試樣都有一個共同點(diǎn)：將單根碳纖維用松香或其它粘合劑固定在襯紙上，經(jīng)試驗(yàn)效果沒有用雙面膠紙固定試樣方便、可靠。

由于碳纖維的斷裂伸長率很小的特性，采用比較大的隔距是對的。

通用單纖維強(qiáng)力儀并非做不了碳纖維單根拉伸性能檢測，實(shí)踐證明：只要儀器技術(shù)指標(biāo)符合要求，細(xì)心一些也可以作，但是手法很重要。

參考文獻(xiàn)：

1 ISO11566 《碳纖維單纖試樣拉伸性能的測定》

2 JIS R 7601《碳纖維試驗(yàn)方法》

3 JIS K1477《纖維狀活性炭試驗(yàn)方法》

4 JISK 1474活性碳試驗(yàn)方法

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