碳纤维单丝强力测试实验一、实验目的1、掌握碳纤维单丝强力测定方法。2、了解脆性材料断裂机制。二、碳纤维强度理论碳纤维的高比强、高比模、耐高温等优良性能使其得到广泛的应用。但加工过程的波动或原丝本身的问题使最终碳纤维的力学性质存在很大差异，尤其是纤维强度的离散较大。因而，碳纤维的强伸性及其均匀性成为人们研究和常规测量的重要内容之一。2.1.固体的强度所谓固体的强度是指固体材料抵抗破坏的能力，一般分为屈服强度和断裂强度。在实际情况下，固体的强度取决于下列基本因素：1）材料的种类；2）物体的形状和尺寸；3）时间；4）载荷循环数；5）温度；6）外部介质的腐蚀性；7）变形的速度和历史；8）外部的辐射和电磁场。2.2石墨材料的理论断裂强度固体的理论断裂强度（Theoreticalfracturestrength）就是固体的内聚力强度（Cohesivestrength），也就是结晶固体的理想抗拉强度，即：使沿着某个特殊的晶相平面断裂时所必须施加的拉应力。在讨论材料一
1 碳纤维单丝强力测试实验 一、实验目的 1、掌握碳纤维单丝强力测定方法。 2、了解脆性材料断裂机制。 二、碳纤维强度理论 碳纤维的高比强、高比模、耐高温等优良性能使其得到广泛的应 用。但加工过程的波动或原丝本身的问题使最终碳纤维的力学性质存 在很大差异，尤其是纤维强度的离散较大。因而,碳纤维的强伸性及 其均匀性成为人们研究和常规测量的重要内容之一。 2.1. 固体的强度 所谓固体的强度是指固体材料抵抗破坏的能力，一般分为屈服 强度和断裂强度。在实际情况下，固体的强度取决于下列基本因素： 1） 材料的种类；2）物体的形状和尺寸；3）时间；4）载荷循环数； 5）温度；6）外部介质的腐蚀性；7）变形的速度和历史；8）外部的 辐射和电磁场。 2. 2 石墨材料的理论断裂强度 固体的理论断裂强度（Theoretical fracture strength）就是固体的内 聚力强度（Cohesive strength），也就是结晶固体的理想抗拉强度，即： 使沿着某个特殊的晶相平面断裂时所必须施加的拉应力。在讨论材料
弹性模量的物理本质时，常用原子间结合力的模型。碳纤维属于过渡形式碳的一种，其微结构基元类似石墨。理想的石墨结晶具有层状晶格，其层面是由sp状态碳原子组成类似苯环的六角形的巨大平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连，层平面之间则由弱的范德华力相连，层与层之间有规则的排列，层面的碳原子具有一定的位置，它们互相对应，每隔一层重复，形成ABABA………结构，属于六方晶系。而碳纤维则只是层平面与石墨相同，但层面的排列并不归整，缺乏三维有序，属于乱层石墨结构，且层间距比石墨晶体（d=3.354A）大。两者的结构如图1。石墨结构的重叠状况乱层结构的重叠状况图1碳网平面结构示意图Fig.1 Structure of Carbon Net Plat
2 弹性模量的物理本质时，常用原子间结合力的模型。 碳纤维属于过渡形式碳的一种，其微结构基元类似石墨。理 想的石墨结晶具有层状晶格，其层面是由 sp 2 状态碳原子组成类 似苯环的六角形的巨大平面。 在层平面内的碳原子以强的共价键相连，层平面之间则由 弱的范德华力相连，层与层之间有规则的排列，层面的碳原子具 有一定的位置，它们互相对应，每隔一层重复，形成 ABABA. 结构，属于六方晶系。而碳纤维则只是层平面与石墨相同，但层 面的排列并不归整，缺乏三维有序，属于乱层石墨结构，且层间 距比石墨晶体（d=3.354Å）大。两者的结构如图 1
石墨的理论断裂强度约为184GPa，相对其他脆性材料，石墨材料显示出高的理论强度。2.3碳纤维实际强度在实际应用过程中，人们发现材料的理论强度高出实际值大致在10至100倍之间。为什么有如此巨大的差距，这个问题引起了许多学者的注意，通过多年的研究，形成了裂纹理论和位错（dislocation）理论两大派。裂纹理论是A.A.Graffith于20世纪20年代提出的，该理论认为：在任何固体材料中本来就存在着相当数量和各种不同大小的缺陷（这些缺陷被理想化为裂纹），从而导致材料在较低强度下发生脆性断裂而破坏。也就是说固体材料实际断裂强度的降低原因是由于有裂纹存在引起的。位错理论则由G.I.Taylor等人为了解释在晶体上发生滑移（S1ip）的现象而提出的。从位错观点而言，任何固体材料的原子结构总是含有固有缺陷（位错）存在着的，在外力作用下这些被作为微观缺陷而存在着的位错会有可能发展成核形成微观裂纹，当这些微观裂纹生长到Graffith临界裂纹尺寸时，固体就会发生脆性断裂。这样，位错理论可以用来解释在断裂过程中裂纹的成核而形成微观裂纹，因而两个理论在某种意义上是统一的。在测试粘胶基碳纤维复丝的抗拉强度时，纤维往往断裂为数段并且破碎的纤维四处飞散。图2集中了50根左右的碳纤维束丝的S-S拉伸曲线，每一根都是明显的由原点向外发射的直线。直3
3 石墨的理论断裂强度约为 184GPa，相对其他脆性材料，石墨材 料显示出高的理论强度。 2.3 碳纤维实际强度 在实际应用过程中，人们发现材料的理论强度高出实际值大致 在 10 至 100 倍之间。为什么有如此巨大的差距，这个问题引起了许 多 学 者 的 注 意，通过 多年的 研究， 形成了裂纹理论和位错 （dislocation）理论两大派。 裂纹理论是 A.A.Graffith 于 20 世纪 20 年代提出的，该理论 认为：在任何固体材料中本来就存在着相当数量和各种不同大小的缺 陷（这些缺陷被理想化为裂纹），从而导致材料在较低强度下发生脆 性断裂而破坏。也就是说固体材料实际断裂强度的降低原因是由于有 裂纹存在引起的。 位错理论则由G.I.Taylor等人为了解释在晶体上发生滑移 （Slip）的现象而提出的。从位错观点而言，任何固体材料的原子 结构总是含有固有缺陷（位错）存在着的，在外力作用下这些被作 为微观缺陷而存在着的位错会有可能发展成核形成微观裂纹，当这 些微观裂纹生长到Graffith临界裂纹尺寸时，固体就会发生脆性断 裂。这样，位错理论可以用来解释在断裂过程中裂纹的成核而形成 微观裂纹，因而两个理论在某种意义上是统一的。 在测试粘胶基碳纤维复丝的抗拉强度时，纤维往往断裂为数段， 并且破碎的纤维四处飞散。 图 2 集中了 50 根左右的碳纤维束丝 的 S-S 拉伸曲线，每一根都是明显的由原点向外发射的直线。直
到断裂为止，纤维只有弹性形变而无塑性形变，且形变量较小，表明粘胶基碳纤维材料是典型的脆性断裂。其断裂行为符合虎克定律。拉伸实验同时给出了碳纤维试样的强度、模量和断裂形变等力学性能数据。从图形还可看出碳纤维复丝强度的分散性较大。强度在0.5~1.0Gpa范围内波动。Stress/Gpo1.231.06.80.60.40.22.58.51.88.62.8Strain/%图2粘胶基碳纤维复丝的S-S拉伸曲线
4 到断裂为止，纤维只有弹性形变而无塑性形变，且形变量较小，表 明粘胶基碳纤维材料是典型的脆性断裂。其断裂行为符合虎克定 律。 拉伸实验同时给出了碳纤维试样的强度、模量和断裂形变等 力学性能数据。从图形还可看出碳纤维复丝强度的分散性较大。 强度在 0.5~1.0 Gpa 范围内波动。 图 2 粘胶基碳纤维复丝的 S-S 拉伸曲线
99.99999.9388884250012015n10570.00.20.40.60.81.01.2SingleStrength/Gpa图3碳纤维单丝强度的分散性单丝强度也表现出明显的分散性，图3是用Gauss分布对具体数据进行的统计，单丝强度最小为0.5Gpa，最大达到1.3Gpa，大部分集中在0.8Gpa和0.9Gpa。三、强度测量的影响因素3.1制样的损伤碳纤维的拉伸强度值虽然较好，但其弯曲柔性极差，制样中，极易导致纤维、尤其是含有应力集中源的纤维的断裂，即制样的成功率低。同样，试样拉伸中亦会因试样制备的偏差、粘结失效与损伤、夹持操作等影响导致实验误差与失败。即使整个试验非常规范，碳纤维的强度或分布也存在一定的误差，去除误差、得到真实的强度与分布是碳纤维的弱节和强度不匀分析的基础，也是人们想获得的。5
5 图 3 碳纤维单丝强度的分散性 单丝强度也表现出明显的分散性，图3是用Gauss 分布对具体 数据进行的统计，单丝强度最小为0.5 Gpa，最大达到1.3Gpa，大部 分集中在0.8 Gpa和0.9Gpa。 三、强度测量的影响因素 3.1 制样的损伤 碳纤维的拉伸强度值虽然较好,但其弯曲柔性极差,制样中,极易 导致纤维、尤其是含有应力集中源的纤维的断裂,即制样的成功率 低。同样,试样拉伸中亦会因试样制备的偏差、粘结失效与损伤、夹 持操作等影响导致实验误差与失败。即使整个试验非常规范,碳纤维 的强度或分布也存在一定的误差,去除误差、得到真实的强度与分布 是碳纤维的弱节和强度不匀分析的基础,也是人们想获得的。 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 5 10 15 20 Counts Single Strength /Gpa 0.01 0.1 1 5 20 40 60 80 95 99 99.9 99.999 Cumulative Counts