碳纤维结构性能对单向复合材料压缩性能的影响

摘 要

碳纤维及其复合材料因其优异的拉伸性能和轻质特性而备受关注，但是，自从它们问世以来，碳纤维及其复合材料在压缩载荷下的较差性能一直是制约其广泛应用的主要障碍。

在本系列专题文章中，将会从微观结构和宏观角度系统地讨论造成这一缺陷的原因，并就如何提高碳纤维及其复合材料的压缩性能提出了建议。在前几期文章中介绍了碳纤维压缩强度的常见测试方法、碳纤维的压缩失效，而本文中主要介绍碳纤维结构性能与单向复合材料压缩强度之间的关系。

在上期文章中讨论了碳纤维微观结构与宏观性能之间的关系，图1展示了碳纤维与复合材料之间的性能关系，图中的这些数据是根据实验确定的复合材料的压缩强度和用于制造复合材料的碳纤维已知特性建立的。其中的复合材料性能代表了一种理想的情况，即基体完全固化，纤维-基体界面得到优化，缺陷、空隙和错位实现最小化。

即便如此，这些图也展示了一些新的规律，并突出了碳纤维在决定复合材料压缩性能方面的关键作用。图中显示了拉伸模量低于340 GPa的碳纤维（通常为标准模量230–240 GPa碳纤维）和中等模量碳纤维（290–325 GPa）两组数据点。

对于标准模量碳纤维，观察到复合材料压缩强度随着纤维拉伸模量的增加而增加。然而，当拉伸模量在340 GPa及以上时，复合材料的压缩强度随着纤维拉伸模量的增加而降低（图1a）。

图1 商用纤维及其复合材料的性能关系a）复合材料压缩强度vs碳纤维拉伸模量，b）复合材料拉伸强度vs碳纤维拉伸强度，c）复合材料压缩模量vs碳纤维拉伸模量，d）复合材料压缩强度vs碳纤维压缩强度

对于高模量纤维，微晶尺寸相对较高，因此压缩性能会降低。对于中等模量或标准模量碳纤维，其晶粒尺寸、无支撑长度较低，无序区域较大，从而提高了抗压强度。毫无疑问，还有其他因素在起作用，但这也清楚地表明，有一种理想的微观结构，可以实现微晶尺寸、距离、取向与孔径和数量的平衡，从而优化压缩强度和拉伸强度。

图1b显示了纤维拉伸强度和复合材料拉伸强度之间的线性关系，直到5GPa左右这种关系开始变得不明显。复合材料的纤维拉伸模量和压缩模量之间的线性关系即使是非常高模量的碳纤维也可以在图1c中观察到。

最后，图1d进一步支持了纤维在影响复合材料性能中的重要作用，说明了纤维和复合材料压缩性能之间的线性关系。重要的是，如图1d所示，40%至80%的纤维压缩强度可转化为复合材料压缩强度。纤维强度向复合材料转变时的这种降低可能与聚合物基体的界面相互作用以及制造过程中可能出现的缺陷有关。

这些结果清楚地表明，尽管聚合物基体、基体纤维界面和整体复合材料质量等因素很重要，但纤维的性能和微观结构显然对提高性能至关重要。2008年日本东丽发表了一项专利，声称成功地获得了高模量和高压缩强度的碳纤维，并报告称，控制微晶尺寸在确定压缩性能方面发挥了关键作用。

为了进一步研究这些独特的结构-性能关系，从已有文献中收集了商用碳纤维的微观结构信息，如微晶层间距（d）、微晶厚度（Lc，垂直于石墨片层方向）和微晶高度（La，沿石墨片层方向）。

然后将这些数据与来自文献、制造商数据表的单向碳纤维复合材料的压缩性能相结合，得到的复合材料压缩模量和强度之间与微晶层间距d的函数关系如图2所示。可以看出，随着微晶层间距d增加，复合材料的压缩模量下降（图2a），同时压缩强度会提高（图2）。

图2 碳纤维微观结构微晶层间距d与a）复合材料压缩模量和b）复合材料压缩强度之间的关系

图3显示了单向复合材料的晶粒厚度和压缩性能之间的关系。虽然复合材料的压缩模量随着晶粒厚度Lc的增加而增加，但复合材料的压缩强度随着晶粒厚度的增加而降低。

图3碳纤维微观结构厚度Lc对a）复合材料压缩模量和b）复合材料压缩强度的影响

微晶高度La与单向复合材料的压缩性能之间存在相同的关系（图4）。这些相关性进一步证实了复合材料的压缩强度与增强碳纤维的微观结构密切相关。因此，较大的晶粒尺寸与较小的微晶层间距d相结合会降低复合材料的压缩强度并增加复合材料的压缩模量。

图4碳纤维微晶尺寸La对a）复合材料压缩模量和b）复合材料压缩强度的影响

上期文章提到，由于高温碳化过程中连接石墨层的杂原子的消除，微晶层间距d变小。此次观察到的结果与上期文章介绍的单纤维的结构-性能关系非常吻合，进一步强调了增强纤维的微观结构在控制压缩载荷下的性能方面的重要性。

然而，值得注意的是，对于同一种的纤维，文献中报告了不同的复合材料压缩强度值（见图2至图4）。这再次得出结论，有其他因素如树脂类型、纤维错位、缺陷或空隙，也会影响复合材料的压缩强度，这将在后面的文章中讨论。

审核编辑 ：李倩