摘 要
碳纖維及其復(fù)合材料因其優(yōu)異的拉伸性能和輕質(zhì)特性而備受關(guān)注,但是,自從它們問世以來,碳纖維及其復(fù)合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。
在本系列專題文章中,將會(huì)從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因,并就如何提高碳纖維及其復(fù)合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強(qiáng)度的常見測試方法,而本文中主要介紹碳纖維微觀結(jié)構(gòu)及壓縮失效破壞。
附錄:碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能專題
《專題一:碳纖維壓縮強(qiáng)度的測試方法》碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)
為了開發(fā)提高碳纖維壓縮性能的方法,了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結(jié)構(gòu)是很重要的。生產(chǎn)碳纖維最常用的前驅(qū)體為聚丙烯腈(PAN)纖維,下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉(zhuǎn)變過程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。
碳纖維是通過對PAN纖維進(jìn)行高度可控的連續(xù)熱處理來制備的,典型的熱處理過程包括:預(yù)氧化(又叫熱穩(wěn)定化),低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩(wěn)定是在空氣氣氛中進(jìn)行的,通常PAN纖維在不同溫度下經(jīng)受200至300°C的熱處理,并根據(jù)特定前驅(qū)體纖維的加工要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)施加張力。
圖1 碳纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變
在熱穩(wěn)定化過程中,PAN纖維的線性結(jié)構(gòu)通過環(huán)化、脫氫和氧化等化學(xué)反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪徒Y(jié)構(gòu)。在該階段結(jié)束時(shí),PAN纖維獲得足夠的熱穩(wěn)定性,可以承受碳化處理過程中的高溫。
與熱穩(wěn)定化不同,碳化過程必須在惰性氣氛中進(jìn)行,以防止纖維熱解。在低溫碳化過程中,穩(wěn)定的PAN纖維在高達(dá)1000°C的溫度環(huán)境中,在精確的張力和停留時(shí)間下進(jìn)行熱處理。隨后,所得纖維在高溫碳化爐約1600°C左右的溫度以及張力下進(jìn)一步碳化,隨著分子間交聯(lián)和雜原子的去除,穩(wěn)定的PAN聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阕迤矫娼Y(jié)構(gòu)。
在高溫碳化過程中,形成了排列成高度有序和層狀微晶的石墨片狀結(jié)構(gòu),它們之間的距離稱為d間距,它由離域電子之間的π-π相互作用的程度決定。隨著碳化處理的持續(xù)進(jìn)行,剩余的非碳元素被消除,整體晶粒尺寸和排列增加。在芳構(gòu)化程度較低且分子間相互作用不強(qiáng)的區(qū)域,該區(qū)域往往更加無序和無定形,但仍然被高度有序的晶體和堆疊的石墨結(jié)構(gòu)包圍。
在這種結(jié)構(gòu)演變過程中,針狀孔隙或缺陷在這些微晶之間演變,減少了纖維的側(cè)向支撐并降低了纖維的壓縮性能。因此,上述所有這些微觀結(jié)構(gòu)特征有助于確定碳纖維的整體性能。
碳纖維的壓縮破壞
研究分析碳纖維的壓縮斷裂機(jī)制,可從根本上了解碳纖維在壓縮載荷下的不良性能。碳纖維的壓縮破壞與這些微晶在其無支撐區(qū)域的屈曲有關(guān),如圖2所示。有人認(rèn)為,圖2f所示的單個(gè)碳平面的屈曲是碳纖維在壓縮載荷下的主要破壞機(jī)制。
而圖2a中所展示的機(jī)制表明,碳平面在壓縮載荷下的剪切破壞可低至0.4 MPa。如果剪切是唯一起作用的失效機(jī)制,則可以預(yù)期壓縮性能與拉伸性能相同,如圖2b所示,但顯然不是這樣。
圖2 碳纖維壓縮破壞機(jī)理
圖2c顯示了錯(cuò)位晶粒的彎曲。在壓縮載荷下,失向晶粒會(huì)受到嚴(yán)重的彎曲力,并可能在拉伸或壓縮時(shí)失效。然而,也有研究稱,較高的晶粒取向會(huì)降低抗壓強(qiáng)度,這表明碳纖維的破壞機(jī)制與在壓縮載荷下排列不整齊的晶體的嚴(yán)重彎曲無關(guān),而與屈曲相反。
雖然對于圖2d機(jī)理沒有給出明確的解釋,但可以理解,這一機(jī)制是不可能的,因?yàn)榫鶆虻膲嚎s載荷作用在微晶的橫截面上,除非微晶平面之間存在嚴(yán)重缺陷。此外,如果考慮壓縮下整個(gè)微晶的屈曲(圖2e),則使用彈性理論進(jìn)行理論計(jì)算得出的微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測抗壓強(qiáng)度將超過真實(shí)的碳纖維抗壓強(qiáng)度,從而使該理論失效。最后,根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際值之間的關(guān)系,提出碳纖維抗壓強(qiáng)度受限于不受支撐區(qū)域彎曲單個(gè)微晶平面所需的應(yīng)力,如圖2f所示
參考碳纖維的微觀結(jié)構(gòu),亂層石墨結(jié)構(gòu)包圍有大量孔隙。增加碳化時(shí)間和溫度,可將這些亂層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扰帕泻透o密結(jié)合的石墨片層結(jié)構(gòu),同時(shí)增加了纖維模量。
然而,這些微晶和石墨片狀結(jié)構(gòu)(見圖3)隨著它們的生長以及相關(guān)的無支撐孔隙或區(qū)域的長度,會(huì)成為壓縮性能的限制因素。為了解釋高模量和高強(qiáng)度纖維的壓縮破壞機(jī)制,有人使用了如圖3所示的皮芯模型,其中纖維的皮層區(qū)域描繪了高度定向的大晶粒并包圍針狀孔。
圖3 微觀尺度碳纖維壓縮破壞機(jī)理
由于較長孔隙的存在,在較低的應(yīng)力水平下,這些較大晶粒的屈曲更容易發(fā)生在無支撐區(qū)域,導(dǎo)致隨著負(fù)載的增加而破壞。相比之下,芯部區(qū)域多為無序和無定形結(jié)構(gòu),由更小的孔和更小的微晶組成。這種無序區(qū)域和較小的微晶可以在破壞前抵抗更高的壓縮載荷,并有更大的能力通過裂紋擴(kuò)展耗散能量。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:【技術(shù)干貨】一文詳解影響碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素(二)碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)及壓縮破壞
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