碳纤维如何增强复合材料的力学性能

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摘要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的应用范围进一步扩大，不难看出，这种材料因其较好的综合性能远远超越了单一组合的材料模式。本文试图对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能进行深入的研究。本文使用了简单概述，也采用了重点分析的研究策略，梳理了对研究对象的概述和主要的性能特点。

关键词：碳纤维；复合材料；力学性能

本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。

1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述

⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是最后一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。

2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点

纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于最佳化，就能最大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位最先被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能卓越的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。

3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质

⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除最后一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的首选。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。

4.纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究

⑴纤维增强树脂基复合材料的力学性能①拉伸性能：单向增强树脂基复合材料，沿纤维方向的拉伸模量跟纤维体积含量的增大成正比增加。但是如果采用的是短切纤维和玻璃布增强的材料层合板，拉升强度和拉升模量就不与纤维体积成正比增加，但是仍然保持随纤维体积增加而提升。通常情况下，复合材料的纤维方向的主弹性模量，双向是单向的0.5-0.55倍。而混杂纤维增强树脂基复合材料的弹性模量是拉伸模量的0.35-0.4倍。②压缩性能：树脂基复合材料的压缩性能由基体材料的质量决定，拉伸性能由纤维增强材料的质量决定。因此，要想提高树脂基复合材料的压缩性能，就得立足于选用抗压强度较高的树脂基体。纤维树脂基复合材料的压缩特性和拉伸特性存在相似性，在应力小，纤维未压弯的条件下，压缩弹性的模量接近。③弯曲性能：增强树脂基复合材料的弯曲性能受几个因素的影响，具体包括纤维增强材料的种类、铺层方式和纤维织物种类。如果这三点不同，弯曲性能就不尽相同。当纤维增强树脂基复合材料的破坏发生时，破坏首先出现在增强纤维与基体材料的界面上，其次是基体材料的破坏，最后出现在增强材料。④剪切性能：纤维增强树脂基复合材料的剪切强度主要和三个因素密切相关。其中包括：第一，纤维树脂界面粘接强度；第二，基体树脂强度；第三，纤维的含量。通过实验可以证明，复合材料的剪切弹性模量随着纤维含量的增大而呈上升趋势。⑵纤维增强树脂基复合材料的力学性能的特点纤维增强树脂基复合材料的力学性能特点可以简单归纳为四点。第一，比强度高；第二，其力学性能呈现明显的方向差异性；第三，弹性模量和层间剪切强度低；第四，性能分散性大。⑶界面对复合材料的力学影响界面将基体和纤维连接成一个整体，并成为应力传递的桥梁。纤维与基体的相容性会影响到界面的完整性。如果相容不好，形成界面不完整，就会影响到应力的传递。因此，完整的界面层是保证复合材料界面层均匀应力传递，凸显优异性能的前提。对于复合材料的性能呈现，界面发挥着不可替代的作用，直接影响着复合材料的力学性能。牢固而完好的界面结合层，是可以大大提高复合材料横向拉伸程度和层间拉伸程度的。同样的，它也可以恰如其分地提高复合材料的横向及层间拉剪切模量和伸模量。碳纤维实际上是一种韧性较差的纤维，当连接基体和纤维的界面是脆性的，断裂应变小，强度大的情况下，纤维很脆，断裂了，就直接导致裂纹顺着纤维的方向持续扩展，周边的纤维受到影响也相继断裂。由此可以推断，纤维增强复合材料的韧性不好。如果在此情况下，如果界面的结合强度不高，那么纤维断裂就会引起裂纹断裂的走向，沿界面扩展，在扩展路径中，凡是遇到纤维的缺陷部位和薄弱地段，裂纹自然的越过纤维，仍然沿界面扩展，最后就形成了曲曲折折的断裂途径。通过以上分析，不难看出，如果遇到基体、界面的断裂应变低值的情况，采取改善断裂韧性的措施，减弱界面强度，提高纤维延伸率是十分有效的办法。关于碳纤维增强复合材料的研究目前主要集中在几点上。包括有：不同基体的成型工艺、碳纤维、力学性能、界面层设计、界面层性能等。由于碳纤维增强复合材料有很高的综合性能优势，因此，目前该课题的研究仍然是活跃而兴兴向荣的。它吸引了很多对该课题感兴趣的学者的目光，国内外一些学者也投入其中，作了大量的研究，其中不乏有一些值得借鉴的思路和火花。就现在的情况而言，碳纤维增强热塑料树脂基复合材料的研究大多指向电性能，而在成型工艺、力学性能的关注和研究颇少。探索是永无止境的，而探索精神永远引领人们寻找真理。

作者：张豫坤 牛宏校 邓晨兴 单位：辽宁科技大学