＊張豫坤 牛宏校 鄧晨興

（遼寧科技大學(xué) 遼寧 114000）

碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

＊張豫坤 牛宏校 鄧晨興

（遼寧科技大學(xué) 遼寧 114000）

碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，不難看出，這種材料因其較好的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了單一組合的材料模式。本文試圖對碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究。本文使用了簡單概述，也采用了重點分析的研究策略，梳理了對研究對象的概述和主要的性能特點。

碳纖維；復(fù)合材料；力學(xué)性能

本文以碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料為研究對象，對相關(guān)的概念和內(nèi)容進(jìn)行了梳理和總結(jié)。其中概括了碳纖維的性質(zhì)性能，對復(fù)合材料的概念進(jìn)行了闡述，最后對碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能作了詳盡的分析說明。

1.關(guān)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的概述

⑴復(fù)合材料的概念：面對傳統(tǒng)、單一組分的材料已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在應(yīng)用需要的現(xiàn)實狀況，開發(fā)研制新材料，是解決這個問題的根本途徑。運用對材料改性的方法，來改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，復(fù)合是最為常見的一種。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對于復(fù)合材料的概念有明確的界定：復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的物質(zhì)組成的混合固體材料。它的突出之處在于此復(fù)合材料的特定性能優(yōu)于任一單獨組分的性能。

第二，如果按增強(qiáng)纖維的類別劃分，就存在有機(jī)纖維復(fù)合材料、無機(jī)纖維復(fù)合材料、其他纖維復(fù)合材料。其中本文討論的對象屬于無機(jī)纖維復(fù)合材料這一類別，因為碳纖維就是無機(jī)纖維復(fù)合材料的其中一種。

特別值得注意的是，當(dāng)兩種或兩種以上的纖維同時增強(qiáng)一個基體，制備成的復(fù)合材料叫做混雜纖維復(fù)合材料。實質(zhì)上是兩種或兩種以上的單一纖維材料的互相復(fù)合，就成了復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。

2.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能特點

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是指以高分子聚合物為基體材料，用纖維作增強(qiáng)材料復(fù)合制備而成的?；w材料和增強(qiáng)材料必然各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢作用。之所以用纖維作增強(qiáng)材料是因為纖維具有高強(qiáng)度和高模量的優(yōu)點，所以是承載體的“不二人選”。而采用高分子聚合物作基體材料，是考慮其良好的粘接性能，可以將纖維和基體牢固的粘連起來。不僅僅如此，基體還需發(fā)揮均勻分散載荷的作用，通過界面層，將載荷傳遞到纖維，從而使纖維承受剪切和壓縮的載荷。當(dāng)兩者存在良好的復(fù)合狀態(tài)，并且使結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于最佳化，就能最大程度上發(fā)揮復(fù)合材料的綜合性能。

⑴抗疲勞性能好：所謂疲勞破壞指的是材料在承受交變負(fù)荷時，形成裂縫繼續(xù)擴(kuò)大而引起的低應(yīng)力破壞。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的疲勞破壞的發(fā)生過程是，首先出現(xiàn)裂縫，繼而裂紋向進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢發(fā)展，直到被基體和纖維的界面攔阻。在此過程中，纖維的薄弱部位最先被破壞，隨之逐漸擴(kuò)延到結(jié)合面。因此，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在疲勞破壞前存在明顯的征兆，這與金屬材料的疲勞發(fā)生截然不同。這也是它的抗疲勞性能好的具體表現(xiàn)。

⑵高溫性能好：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有很好的耐熱性能。將材料置于高溫中，表面分解、氣化，在吸熱的同時又冷卻下來。材料在高溫下逐漸消失的同時，表面又有很高的吸熱效率。這些都是材料高溫性能卓越的物理特征。

⑶高比強(qiáng)度和比模量：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和高比模量的特征。甚至在和鋼、鋁、鈦等金屬材料相比，它的力學(xué)性能也十分出色。這種材料在宇航工業(yè)中，受到極大的應(yīng)用。

⑷安全性能好：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中分布的纖維數(shù)量巨大，并且密度強(qiáng)，用數(shù)據(jù)來說明的話，每平方厘米的復(fù)合材料上的纖維數(shù)量少則幾千根，多則達(dá)到上萬根。即便材料超負(fù)荷，發(fā)生少量纖維的斷裂情況，載荷也會進(jìn)行重新分配，著力在尚未斷裂的纖維部分。因此，短時間內(nèi)，不會影響到整個構(gòu)件的承載能力。

母豬肉一般胴體較大，皮糙而肉厚，肌肉纖維粗，橫切面顆粒大。經(jīng)產(chǎn)母豬皮膚較厚，皮下脂肪少，瘦肉多，骨骼硬而脆，乳腺發(fā)達(dá)，腹部肌肉結(jié)締組織多，切割時韌性大，俗稱“滾刀肉”。

⑸設(shè)計的可操作性強(qiáng)：當(dāng)復(fù)合材料需要符合性能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求時，可以通過很多方法來實現(xiàn)。包括改變基體和纖維的品種，調(diào)整它們的含量比例，也可以通過調(diào)整纖維的層鋪結(jié)構(gòu)和排列方式來實現(xiàn)。因此，可以說，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料有很強(qiáng)的設(shè)計可操作性。

⑹成型工藝簡單易成：成型工藝過程十分簡單易成，因其制品大多都是整體成型，無需使用到焊接、切割等二次加工，工藝流程簡單好操作。一次性成型不僅可以減少加工的時間，同時減少了零部件、緊固件、接頭的損耗，使結(jié)構(gòu)更趨于輕量化。

⑺減震性能好：高的自振頻率可以對工作狀態(tài)下的早期破壞起到規(guī)避和防范的作用。自振頻率和材料比模量的平方根成正比，和材料結(jié)構(gòu)也息息相關(guān)。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的基體界面和纖維因為具有吸振能力，所以能夠起到很好的減震效果。

3.碳纖維增強(qiáng)熱塑料樹脂基復(fù)合材料中碳纖維的性質(zhì)

⑴對纖維的分類：纖維存在有機(jī)纖維和無機(jī)纖維之分。增強(qiáng)纖維共有五大類別，分別是：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及芳綸纖維。除最后一種芳綸纖維以外，其他四種都屬于無機(jī)纖維。碳纖維是五大纖維之冠，是增強(qiáng)纖維中最有活力的一種。碳纖維復(fù)合材料種類很多，但是應(yīng)用最廣泛的還要屬碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

⑵碳纖維的性質(zhì)和性能：碳纖維是纖維狀的碳素材料，它的性質(zhì)包括導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐溫、耐磨、比重小且耐腐蝕性等。除此之外，它的性能也相當(dāng)突出，具有熱膨脹系數(shù)小、抗震動衰減、自潤滑性以及防原子輻射等。因為碳纖維的纖維屬性，因此可以對其編制加工，纏繞成型。利用纖維狀直徑細(xì)的特點，是制成復(fù)合材料雜曲面構(gòu)件部件的絕佳材料。碳纖維能夠成為最有活力的增強(qiáng)纖維，它密度低，抗拉伸強(qiáng)度可以和玻璃纖維比肩，而碳纖維的彈性模量卻是后者的4到5倍。在惰性氣氛中，碳纖維的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而攀升，表現(xiàn)出極佳的性能。因此，不得不說碳纖維是復(fù)合材料增強(qiáng)纖維的首選。

⑶碳纖維的力學(xué)性質(zhì)：碳纖維的力學(xué)性質(zhì)主要通過軸向抗拉模量來體現(xiàn)。當(dāng)熱處理溫度上升，碳纖維的模量隨之攀升。細(xì)直徑纖維在預(yù)氧化過程中，發(fā)生碳化，產(chǎn)生很多排列整齊的餓表皮結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)對碳纖維模量的增加又起到推波助瀾的作用，促使它的模量進(jìn)一步提高。碳纖維模量的變化趨勢以施加負(fù)荷的方式作為判別標(biāo)準(zhǔn)，不是隨應(yīng)變的增加而增加，就是隨應(yīng)變的增加而下降，無非是這兩種情況。

4.纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

⑴纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能

①拉伸性能：單向增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，沿纖維方向的拉伸模量跟纖維體積含量的增大成正比增加。但是如果采用的是短切纖維和玻璃布增強(qiáng)的材料層合板，拉升強(qiáng)度和拉升模量就不與纖維體積成正比增加，但是仍然保持隨纖維體積增加而提升。通常情況下，復(fù)合材料的纖維方向的主彈性模量，雙向是單向的0.5-0.55倍。而混雜纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的彈性模量是拉伸模量的0.35-0.4倍。

②壓縮性能：樹脂基復(fù)合材料的壓縮性能由基體材料的質(zhì)量決定，拉伸性能由纖維增強(qiáng)材料的質(zhì)量決定。因此，要想提高樹脂基復(fù)合材料的壓縮性能，就得立足于選用抗壓強(qiáng)度較高的樹脂基體。纖維樹脂基復(fù)合材料的壓縮特性和拉伸特性存在相似性，在應(yīng)力小，纖維未壓彎的條件下，壓縮彈性的模量接近。

③彎曲性能：增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的彎曲性能受幾個因素的影響，具體包括纖維增強(qiáng)材料的種類、鋪層方式和纖維織物種類。如果這三點不同，彎曲性能就不盡相同。當(dāng)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的破壞發(fā)生時，破壞首先出現(xiàn)在增強(qiáng)纖維與基體材料的界面上，其次是基體材料的破壞，最后出現(xiàn)在增強(qiáng)材料。

④剪切性能：纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度主要和三個因素密切相關(guān)。其中包括：第一，纖維樹脂界面粘接強(qiáng)度；第二，基體樹脂強(qiáng)度；第三，纖維的含量。通過實驗可以證明，復(fù)合材料的剪切彈性模量隨著纖維含量的增大而呈上升趨勢。

⑵纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能的特點

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能特點可以簡單歸納為四點。第一，比強(qiáng)度高；第二，其力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的方向差異性；第三，彈性模量和層間剪切強(qiáng)度低；第四，性能分散性大。

⑶界面對復(fù)合材料的力學(xué)影響

界面將基體和纖維連接成一個整體，并成為應(yīng)力傳遞的橋梁。纖維與基體的相容性會影響到界面的完整性。如果相容不好，形成界面不完整，就會影響到應(yīng)力的傳遞。因此，完整的界面層是保證復(fù)合材料界面層均勻應(yīng)力傳遞，凸顯優(yōu)異性能的前提。對于復(fù)合材料的性能呈現(xiàn)，界面發(fā)揮著不可替代的作用，直接影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能。牢固而完好的界面結(jié)合層，是可以大大提高復(fù)合材料橫向拉伸程度和層間拉伸程度的。同樣的，它也可以恰如其分地提高復(fù)合材料的橫向及層間拉剪切模量和伸模量。

碳纖維實際上是一種韌性較差的纖維，當(dāng)連接基體和纖維的界面是脆性的，斷裂應(yīng)變小，強(qiáng)度大的情況下，纖維很脆，斷裂了，就直接導(dǎo)致裂紋順著纖維的方向持續(xù)擴(kuò)展，周邊的纖維受到影響也相繼斷裂。由此可以推斷，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的韌性不好。如果在此情況下，如果界面的結(jié)合強(qiáng)度不高，那么纖維斷裂就會引起裂紋斷裂的走向，沿界面擴(kuò)展，在擴(kuò)展路徑中，凡是遇到纖維的缺陷部位和薄弱地段，裂紋自然的越過纖維，仍然沿界面擴(kuò)展，最后就形成了曲曲折折的斷裂途徑。通過以上分析，不難看出，如果遇到基體、界面的斷裂應(yīng)變低值的情況，采取改善斷裂韌性的措施，減弱界面強(qiáng)度，提高纖維延伸率是十分有效的辦法。

關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究目前主要集中在幾點上。包括有：不同基體的成型工藝、碳纖維、力學(xué)性能、界面層設(shè)計、界面層性能等。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有很高的綜合性能優(yōu)勢，因此，目前該課題的研究仍然是活躍而興興向榮的。它吸引了很多對該課題感興趣的學(xué)者的目光，國內(nèi)外一些學(xué)者也投入其中，作了大量的研究，其中不乏有一些值得借鑒的思路和火花。就現(xiàn)在的情況而言，碳纖維增強(qiáng)熱塑料樹脂基復(fù)合材料的研究大多指向電性能，而在成型工藝、力學(xué)性能的關(guān)注和研究頗少。探索是永無止境的，而探索精神永遠(yuǎn)引領(lǐng)人們尋找真理。

(責(zé)任編輯 李鵬波)

Study of the Enhancement of Thermoplastic Resin Matrix Composites Mechanical Property Under the Function of Carbon Fiber

Zhang Yukun, Niu Hongxiao, Deng Chenxing
（University of Science and Technology Liaoning,Liaoning,114000）

The application range of the enhancement of thermoplastic resin matrix composites under the function of carbon fiber has got further enlargement and it is not dif ficult to know that this kind of material has been far beyond the material pattern of single combination as its better comprehensive property. In this paper, it has tried to take in-depth study of enhancement of thermoplastic resin matrix composites mechanical property under the function of carbon fiber and it has taken the simple summary, adopted the research strategy of selective analysis and arranged the overview and main property features of the study object.

carbon fiber；composite materials；mechanical property

T

A

張豫坤（1996～），女，遼寧科技大學(xué)；研究方向：碳纖維材料性能研究。