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1、第卷第期航/0122地空材料!∀#∃%&∋#()∗+#,−#)∃%∗#,.2年∀−34缺陷对碳纤维强度的影响贺福王润娥5中科院山西煤炭化学研究所6摘要碳纤维属于脆性材料,用扫描电子显微镜52.∃−6可以直接观察到它的表面和内部缺陷这些缺陷不仅是控制强度的主要因素,而且也是强度分散性大的原因所在2实验表明,碳纤维,强度愈高7,强度愈高8,强度愈高。2的直径愈小测试长度愈短密度愈大反之亦然本文用,2,国产碳纤维实验证明:用9;<=11参数>值可以表征碳纤维的性能具有高>值的碳纤维脆,。性减小柔性增加一、碳纤维的高强度化碳纤维的抗拉强度、杨氏模量和断裂伸长是衡量其力学性能的三项
2、主要指标。近十年,、来由于原丝质量的不断提高预氧化和碳化设备的不断改进以及工艺参数的选择日趋合,。,日理使上述三项指标有了突破性进展例如本东丽公司不仅把碳纤维)一!?的抗拉强Ε’,、、度由七十年代初期的≅Α?ΒΧΔ>>提高到了!Φ?ΒΧΔ>>而且相继开发了)Γ??)Η00。,、、)ΕΗ00和)1???特别是)1???抗拉强度杨氏模量和断裂伸长分别达到Ι≅0ΒΧΔ>>!?吨“2,。,Δ>>和≅≅如可称之为真正的超高强度型碳纤维这些卓有成效的工作大大加强了碳纤维与其他增强纤维的竞争地位2近,。,年来我国碳纤维的质量也在不断提高七十年代中期碳纤维的抗拉强度仅为1Η0ΒΧ’82≅Α?ϑ!??ΒΕ8Δ
3、>>八十年代初期高强∗型碳纤维的抗拉强度已达到ΧΔ>>ΑΦ,、’、年通过鉴定的高强∗型碳纤维抗拉强度杨氏模量和断裂伸长分别达到!Α?ΒΧΔ>>2。22“≅!吨Δ>>和Α帕它与环氧树脂复合后的层间剪切强度5∗,..6已达到。ϑ100ΒΧΔΕ。,,>>目前我国科学工作者正在继续努力预计在近期内上述三项指标将分别达到ΓΑ?、2。Ε!?Ε≅ΒΧΔ>>吨Δ>>和ΑΚ,。‘了即使是目前强碳纤维的抗拉强度虽然有了大幅度的提高但与理论强度相差甚远,。,度最高的)10?也仅是理论值的Γ肠左右与此相反超高模量碳纤维5即石墨纤维6的。,,,ΛΕ杨氏模量已是理论值的?Κ例如中间相沥青碳纤维≅0模量高达!吨Δ
4、>>是理论值的?肠以上。强度、模量分别与其理论值之间的差异如此悬殊,其原因在于强度受控于,。,。各类缺陷而模量则是材料的固有本性或者说模量对缺陷的敏感性要比强度小得多总之,强。度的提高大有余地和潜力。。’“一’,碳纤维属于脆性材料它对缺陷的依赖性是人人皆知的事实已有实验数据证明缺陷是制约强度的主要因素之一。例如,无尘纺丝室纺出的聚丙烯睛5Λ#∋6纤维经,,∀Γ?℃碳化后所制碳纤维的抗拉强度要比普通纺丝室纺出的高Γ呱8经≅Α??℃石墨化后≅Γ2航空材料卷一22Μ‘ΑΝ动,?,>要高≅肠这是因为普通纺丝室里空Ο所含粒子5ΑΠ6数要比无尘纺丝室高。,2????倍原丝里的缺陷属于先天哇的后处理工
5、艺引入的缺陷属于后天性的它们的存在、都。,是强度下降的妻娜睐提高的主要技术途径之一就是在生产碳纤维的全过砒舷程中5从丙烯睛聚合开始6尽量避免各类缺陷的引入和产生。本文将用实验数据论证缺陷对碳纤维抗拉强度的影响2二、实验部分2材料7本实验用吉林化工研究院硝酸法生产的三元共聚Λ#∋纤维,经过空气预氧化。,。和!Α。℃碳化后所制碳纤维∗Θ碳纤维由本所提供!Θ碳纤维由上海碳素厂生产所用碳纤维都未上保护胶。77、,≅仪器及测试碳纤维的抗拉强度杨氏模量和断裂伸长的测量采用单丝法在电子。,。拉力机5ΡΣ&?≅型6上进咐标准测试跨距为Ε&>>取≅?根单丝的平均值为束丝强度,,在进行定量实验时首先在碳纤维
6、表面涂复水溶性环氧树脂以保护抗拉断裂后的末。,,,27端抗拉断裂后的末端用无离子水洗去水溶性环氧树脂固定在特制的样、Τ盒上用红,。、,以备观察型Η∃−Α?Α外箱烘干喷镶黄金扫描电子显微镜5Α∃−6采用ΥςΗ一一。举和#−%#一1???Ω型·爪表面处理。碳纤维。在Α?℃处理Γ分钟。的表面处理采用臭氧化法Γ27。数据处理测最数据的处理在微机上进行、三实验结果和讨论2碳纤维的杭拉强度与直径的关系,,在知束碳纤维中任意取≅Φ根单丝、、,小氏Ψ几&(八“八强度分别测量直径强度模量和断裂伸长≅忍。杨氏模量测试结果绘制成图;由图可以清楚地看召乞)2日灿Ξ,出碳纤维的抗拉强度和杨氏模量都随着2、Ξ渭
7、侧娜翻编枉日。7直径的增加而下降这是因为,516体积效应7碳纤维所含杂质、空≅?洞、、。节训娜以卑孔隙裂纹和气泡等缺陷是随机分布习2几且2任‘旧,?,,纤维的直径愈籽横截面积愈大单位长卜,、、度的体积也就随之而增大因而包含大缺ϑ、卜咬。,陷的几率增加直径愈细体积效应随之而&,。,减小易制得高强度碳纤维因此国内Α咋2?Φ2ΓΦ2Ι2≅Ι2Φ2?,外卜,>生产高强型碳纤维都采用细直径原丝碳纤维直径5〕原因
