碳纖維介紹及組成結(jié)構(gòu)

    碳纖維介紹：

    碳纖維(carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維"外柔內(nèi)剛"，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。

    碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。

    碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多;它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。

    碳纖維組成結(jié)構(gòu)：

    碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個(gè)碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。

    通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對(duì)碳纖維的性能影響較大。

    當(dāng)孔隙率低于某個(gè)臨界值時(shí)，孔隙率對(duì)碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學(xué)性能下降的臨界孔隙率是1%-4%?？紫扼w積含量在0-4%范圍內(nèi)時(shí)，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強(qiáng)度大約降低7%。通過對(duì)碳纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當(dāng)孔隙率超過0.9%時(shí)，層間剪切強(qiáng)度開始下降。由試驗(yàn)得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。當(dāng)材料受力時(shí)，易沿層間破壞，這也是層間剪切強(qiáng)度對(duì)孔隙相對(duì)敏感的原因。另外孔隙處是應(yīng)力集中區(qū)，承載能力弱，當(dāng)受力時(shí)，孔隙擴(kuò)大形成長(zhǎng)裂紋，從而遭到破壞。

    即使兩種具有相同孔隙率的層壓板(在同一養(yǎng)護(hù)周期運(yùn)用不同的預(yù)浸方法和制造方式)，它們也表現(xiàn)處完全不同的力學(xué)行為。力學(xué)性能隨孔隙率的增加而下降的具體數(shù)值不同，表現(xiàn)為孔隙率對(duì)力學(xué)性能的影響離散性大且重復(fù)性差。由于包含大量可變因素，孔隙對(duì)復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能的影響是個(gè)很復(fù)雜的問題。這些因素包含:孔隙的形狀、尺寸、位置;纖維、基體和界面的力學(xué)性能;靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的荷載。

    相對(duì)于孔隙率和孔隙長(zhǎng)寬比，孔隙尺寸、分布對(duì)力學(xué)性能的影響更大些。并發(fā)現(xiàn)大的孔隙(面積>0.03mm2)對(duì)力學(xué)性能有不利影響，這歸因于孔隙對(duì)層間富膠區(qū)的裂紋擴(kuò)展的產(chǎn)生影響。