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纖維介紹及組成結構

2021-01-21 17:09:44

   碳纖維介紹及組成結構

    碳纖維介紹:

    碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維"外柔內剛",質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,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,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

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

    碳纖維與傳統的玻璃纖維相比,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,在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性突出。

    碳纖維組成結構:

    碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨,是亂層石墨結構。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碳原子,排列不如石墨那樣規整,層與層之間借范德華力連接在一起。

    通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成,其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。

    當孔隙率低于某個臨界值時,孔隙率對碳纖維復合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出,引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%-4%。孔隙體積含量在0-4%范圍內時,孔隙體積含量每增加1%,層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出,當孔隙率超過0.9%時,層間剪切強度開始下降。由試驗得知,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。當材料受力時,易沿層間破壞,這也是層間剪切強度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應力集中區,承載能力弱,當受力時,孔隙擴大形成長裂紋,從而遭到破壞。

    即使兩種具有相同孔隙率的層壓板(在同一養護周期運用不同的預浸方法和制造方式),它們也表現處完全不同的力學行為。力學性能隨孔隙率的增加而下降的具體數值不同,表現為孔隙率對力學性能的影響離散性大且重復性差。由于包含大量可變因素,孔隙對復合材料層壓板力學性能的影響是個很復雜的問題。這些因素包含:孔隙的形狀、尺寸、位置;纖維、基體和界面的力學性能;靜態或者動態的荷載。

    相對于孔隙率和孔隙長寬比,孔隙尺寸、分布對力學性能的影響更大些。并發現大的孔隙(面積>0.03mm2)對力學性能有不利影響,這歸因于孔隙對層間富膠區的裂紋擴展的產生影響。

碳纖維滾筒

    

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