碳纤维复合材料的性能与分析

碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、质量轻、抗疲劳、可设计等优势，已被广泛地应用在国防科技和民用领域，碳纤维复合材料是由碳纤维、树脂基体以及两者之间的界面相组成，碳纤维作为增强体，起着主要承载的作用，只有碳纤维/树脂二者匹配合理才能充分发挥好复合材料的综合力学性能，了解和充分分析碳纤维复合材料的力学性能以及影响因素，才能更好地了解其在使用环境下的需求。

（1）材质缺陷对性能的影响

碳纤维增强树脂基复合材料的制备工艺较为复杂，通常会形成孔隙、夹杂和裂纹等缺陷，特别是孔隙的存在，会大大降低复合材料的力学性能和使用性能。 有研究对不同孔隙率的碳纤维增强环氧树脂材料层合板进行了力学性能测试，试验结果表明，在孔隙率含量为0.33%、0.71%和1.5%的层合板中，随着孔隙率的增加，织物碳纤维增强环氧树脂层合板的拉伸强度呈下降趋势，如表1所示。

表1 不同孔隙率层合板拉伸强度试验值与仿真值

除了孔隙外，碳纤维铺层的褶皱，即纤维波纹对复合材料的力学性能也存在较大的影响，褶皱属于制作过程中的工艺缺陷，对材料具有力学性能的负面作用，有研究对两种波纹度不同的碳纤维复合材料进行了疲劳力学试验，材料的微观形貌如图1所示，结果表明，当载荷循环中有拉伸部分时，这两种纤维波纹的材料都对疲劳载荷有敏感度，在两种疲劳载荷条件下，波纹度更高的C630材料的疲劳寿命更下，对疲劳载荷的敏感度也更高，与C380材料相比，C630出现更大范围的纤维束断裂和分层。

图1 褶皱下材料C630和C380的微观形态

（2）温度和湿度对性能的影响

影响碳纤维增强复合材料力学性能的因素除了材料的增强工艺和材料本身缺陷外，制作过程中的湿热环境对复合材料的力学性能也存在较大的影响。湿热环境对复合材料力学性能的影响一直是材料研制人员所关注的重点问题之一。有研究对干态和湿态下的碳纤维复合材料层合板进行了力学行为分析，发现湿态工况在拉伸强度方面对碳纤维材料的性能影响较为显著，而弹性模量，应变数值衰减不明显，经过扫描电镜的分析，如图2所示，可见老化后的断口和裂口的氧化物，可看出，水分的渗入会导致基体发生老化现象，纤维与基体界面降解是导致基体失效的主要原因，这最终会导致层压板的强度降低。

图2 （a）CP16原始拉伸断裂面（b）老化后CP16断裂面（c）老化CP8断裂面（d）老化CP8裂纹口的氧化物

有研究表明，两种复合材料M-A（国产碳纤维复合材料）和M-T800H（东丽纤维复合材料）在高温湿态条件下的基本力学性能，如图所示，可见，在温度和湿度的共同作用下两种复合材料层间剪切强度和90°拉伸强度明显下降，例如，M-A复合材料的层间剪切强度从105MPa降至54MPa，层间剪切强度保持率在51.4%，M-A复合材料的拉伸强度从62.4MPa降至26.4MPa，其拉伸强度保持率在42.3%,研究者分析，出现这种结果的原因是：在温度和湿度的共同作用下，一方面吸湿会使树脂基体中的高分子链被打断，另一方面温度的升高又使得高分子链具有更高的能量而变得不温度，其变化机理是水分子进入基体后通过溶胀作用使基体发生增塑，使树脂性能进一步降低，因此，在湿热条件下复合材料界面性能下降明显，对材料拉伸强度的影响大于对剪切强度的影响。

图3 复合材料的湿热性能

有研究对碳纤维增强聚丙烯基的性能进行研究，研究结果表明，不同碳纤维对复合材料的力学性能影响如图所示，随着碳纤维质量分数的增加，复合材料的冲击强度，拉伸强度和弯曲强度均有先增后降的趋势，当碳纤维质量分数在14%左右时，复合材料所承受的冲击强度出现了峰值，当碳纤维质量分数在18.75%左右时，复合材料所承受的拉伸强度和弯曲相处出现了峰值，当碳纤维含量再次增加时，复合材料的冲击强度和拉伸强度几乎呈直线下降，而弯曲强度下降得比较缓慢，当碳纤维质量分数为28%时，碳纤维复合材料的冲击强度和弯曲强度均达到低谷，而后又有回升的趋势。性能出现拐点与材料本身有一定的关系，可以这样解释：前期拉伸强度、冲击强度和弯曲强度的提升是因为碳纤维的加入增加了复合材料的传递应力，后期的明显下降与树脂基体和碳纤维的界面性能相关，当碳纤维在一定范围内时二者的界面性能会表现良好，而当碳纤维含量超过一定值时，碳纤维会出现团聚现象，因此，性能会出现明显的下降，而随着碳纤维含量的进一步提升，碳纤维之间会发生堆积缠绕现象，这会使性能进一步提升。

图4 材料的拉伸强度、冲击强度及弯曲强度

碳纤维复合材料的性能与温度有显著的关系，有研究温度对碳纤维增强环氧树脂复合材料性能的影响。试验结果如表2-表4所示，可见，在相同温度下，各个试样的拉伸性能和压缩性能基本保持一致，而随着温度的降低，复合材料的拉伸性能和压缩性能均得到了提升。

表2 71℃力学性能测试结果

表3 25℃力学性能测试结果

 表4 -54℃力学性能测试结果

图5为不同温度下的拉伸试样断口的扫描电镜图片，如图所示，拉伸试验时，室温断口有少量絮状树脂，树脂形态保存比较完整，有少部分碳纤维脱离树脂的包裹，碳纤维整体拔出产生的孔洞几乎不存在，而在71℃高温环境下断口处絮状树脂明显多于室温情况，缝隙与孔洞比室温明显增多，这表明温度上升树脂会因受热软化从而造成树脂和纤维界面结合弱化，树脂从纤维上脱落，对界面造成损伤，在低温下-54℃时，纤维表面的树脂附着高于室温，低温情况下，树脂分子间的间距变小，作用力变大，树脂与试样的纤维粘结状态较好。试样的失效主要是纤维与树脂基体剥离，纤维达到拉伸极限后断裂导致。

图5 扫描电镜分析图

（3）应变率对性能的影响

碳纤维复合材料在高应变率下力学响应和失效模式与静态时的不同，有研究对碳纤维复合材料不同应变率下的力学响应和失效进行分析，如图6所示，应变率为3866s^-1和6484s^-1时的应力-应变曲线对比结果表明，试样的压缩强度和失效应变的应变率效应非常明显，且缺陷相关的强度减小量已不足以掩盖如此显著的应变率强化效应，当应变率大于1832s^-1时，应力-应变取芯中可以观察到明显的二次加载现象，图6b为完全失效工况下的应变率变化曲线，从中可以观察到应变率在试样失效后再次上升，且不会在卸载时下降为负值，试样发生完全失效，没有回弹过程。

图6(a)应力-应变曲线，（b）应变率-应变曲线

此文由中国复合材料工业协会搜集翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。