摘 要

碳纖維及其復(fù)合材料因其優(yōu)異的拉伸性能和輕質(zhì)特性而備受關(guān)注，但是，自從它們問(wèn)世以來(lái)，碳纖維及其復(fù)合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。

在本系列專題文章中，將會(huì)從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復(fù)合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強(qiáng)度的常見(jiàn)測(cè)試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結(jié)構(gòu)及壓縮失效破壞。

附錄：碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能專題

《專題一：碳纖維壓縮強(qiáng)度的測(cè)試方法》碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)

為了開(kāi)發(fā)提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過(guò)程及其最終微觀結(jié)構(gòu)是很重要的。生產(chǎn)碳纖維最常用的前驅(qū)體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉(zhuǎn)變過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。

碳纖維是通過(guò)對(duì)PAN纖維進(jìn)行高度可控的連續(xù)熱處理來(lái)制備的，典型的熱處理過(guò)程包括：預(yù)氧化（又叫熱穩(wěn)定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩(wěn)定是在空氣氣氛中進(jìn)行的，通常PAN纖維在不同溫度下經(jīng)受200至300°C的熱處理，并根據(jù)特定前驅(qū)體纖維的加工要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)施加張力。

圖1 碳纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

在熱穩(wěn)定化過(guò)程中，PAN纖維的線性結(jié)構(gòu)通過(guò)環(huán)化、脫氫和氧化等化學(xué)反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪徒Y(jié)構(gòu)。在該階段結(jié)束時(shí)，PAN纖維獲得足夠的熱穩(wěn)定性，可以承受碳化處理過(guò)程中的高溫。

與熱穩(wěn)定化不同，碳化過(guò)程必須在惰性氣氛中進(jìn)行，以防止纖維熱解。在低溫碳化過(guò)程中，穩(wěn)定的PAN纖維在高達(dá)1000°C的溫度環(huán)境中，在精確的張力和停留時(shí)間下進(jìn)行熱處理。隨后，所得纖維在高溫碳化爐約1600°C左右的溫度以及張力下進(jìn)一步碳化，隨著分子間交聯(lián)和雜原子的去除，穩(wěn)定的PAN聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阕迤矫娼Y(jié)構(gòu)。

在高溫碳化過(guò)程中，形成了排列成高度有序和層狀微晶的石墨片狀結(jié)構(gòu)，它們之間的距離稱為d間距，它由離域電子之間的π-π相互作用的程度決定。隨著碳化處理的持續(xù)進(jìn)行，剩余的非碳元素被消除，整體晶粒尺寸和排列增加。在芳構(gòu)化程度較低且分子間相互作用不強(qiáng)的區(qū)域，該區(qū)域往往更加無(wú)序和無(wú)定形，但仍然被高度有序的晶體和堆疊的石墨結(jié)構(gòu)包圍。

在這種結(jié)構(gòu)演變過(guò)程中，針狀孔隙或缺陷在這些微晶之間演變，減少了纖維的側(cè)向支撐并降低了纖維的壓縮性能。因此，上述所有這些微觀結(jié)構(gòu)特征有助于確定碳纖維的整體性能。

碳纖維的壓縮破壞

研究分析碳纖維的壓縮斷裂機(jī)制，可從根本上了解碳纖維在壓縮載荷下的不良性能。碳纖維的壓縮破壞與這些微晶在其無(wú)支撐區(qū)域的屈曲有關(guān)，如圖2所示。有人認(rèn)為，圖2f所示的單個(gè)碳平面的屈曲是碳纖維在壓縮載荷下的主要破壞機(jī)制。

而圖2a中所展示的機(jī)制表明，碳平面在壓縮載荷下的剪切破壞可低至0.4 MPa。如果剪切是唯一起作用的失效機(jī)制，則可以預(yù)期壓縮性能與拉伸性能相同，如圖2b所示，但顯然不是這樣。

圖2 碳纖維壓縮破壞機(jī)理

圖2c顯示了錯(cuò)位晶粒的彎曲。在壓縮載荷下，失向晶粒會(huì)受到嚴(yán)重的彎曲力，并可能在拉伸或壓縮時(shí)失效。然而，也有研究稱，較高的晶粒取向會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，這表明碳纖維的破壞機(jī)制與在壓縮載荷下排列不整齊的晶體的嚴(yán)重彎曲無(wú)關(guān)，而與屈曲相反。

雖然對(duì)于圖2d機(jī)理沒(méi)有給出明確的解釋，但可以理解，這一機(jī)制是不可能的，因?yàn)榫鶆虻膲嚎s載荷作用在微晶的橫截面上，除非微晶平面之間存在嚴(yán)重缺陷。此外，如果考慮壓縮下整個(gè)微晶的屈曲（圖2e），則使用彈性理論進(jìn)行理論計(jì)算得出的微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度將超過(guò)真實(shí)的碳纖維抗壓強(qiáng)度，從而使該理論失效。最后，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際值之間的關(guān)系，提出碳纖維抗壓強(qiáng)度受限于不受支撐區(qū)域彎曲單個(gè)微晶平面所需的應(yīng)力，如圖2f所示

參考碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)，亂層石墨結(jié)構(gòu)包圍有大量孔隙。增加碳化時(shí)間和溫度，可將這些亂層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扰帕泻透o密結(jié)合的石墨片層結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了纖維模量。

然而，這些微晶和石墨片狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）隨著它們的生長(zhǎng)以及相關(guān)的無(wú)支撐孔隙或區(qū)域的長(zhǎng)度，會(huì)成為壓縮性能的限制因素。為了解釋高模量和高強(qiáng)度纖維的壓縮破壞機(jī)制，有人使用了如圖3所示的皮芯模型，其中纖維的皮層區(qū)域描繪了高度定向的大晶粒并包圍針狀孔。

圖3 微觀尺度碳纖維壓縮破壞機(jī)理

由于較長(zhǎng)孔隙的存在，在較低的應(yīng)力水平下，這些較大晶粒的屈曲更容易發(fā)生在無(wú)支撐區(qū)域，導(dǎo)致隨著負(fù)載的增加而破壞。相比之下，芯部區(qū)域多為無(wú)序和無(wú)定形結(jié)構(gòu)，由更小的孔和更小的微晶組成。這種無(wú)序區(qū)域和較小的微晶可以在破壞前抵抗更高的壓縮載荷，并有更大的能力通過(guò)裂紋擴(kuò)展耗散能量。

審核編輯 ：李倩