一種碳纖維多尺度增強(qiáng)體力學(xué)性能的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于纖維力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)，具體涉及一種碳纖維多尺度增強(qiáng)體力學(xué)性 能的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維作為一種高性能結(jié)構(gòu)材料，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼?織纖維的柔軟可加工性，屬于新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維是制備先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng) 材料，是發(fā)展國(guó)防軍工重要的戰(zhàn)略物質(zhì)，隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求 日益苛刻，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)高模、耐疲勞、性能可設(shè)計(jì)、尺寸穩(wěn)定性好、容易整 體成型等優(yōu)點(diǎn)，高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用日益廣泛，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已成為結(jié)構(gòu) 材料和功能材料中的佼佼者，被認(rèn)為是"未來(lái)材料的夢(mèng)幻材料"（洪璋傳，關(guān)于我國(guó)炭纖維用 聚丙烯腈原絲質(zhì)量的若干認(rèn)識(shí)，合成纖維工業(yè)，2009, 32 (2) :43)。
[0003] 碳纖維多尺度增強(qiáng)體材料力學(xué)性能的高低直接影響其在制造中和應(yīng)用過(guò)程中特 性的發(fā)揮，所以這種增強(qiáng)體材料力學(xué)性能測(cè)試顯得尤為重要。碳纖維多尺度增強(qiáng)體力學(xué)性 能的檢測(cè)方法，目前尚無(wú)可參考的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種碳纖維多尺度增強(qiáng)體材料力學(xué)性能的檢測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種碳纖維多尺度增強(qiáng)體材料力學(xué)性能的檢測(cè)方法，其特征 在于多尺度增強(qiáng)體纖維經(jīng)過(guò)在薄片（薄紙片、塑料或柔性金屬片等）制樣貼片后，選擇合適 的夾持長(zhǎng)度、速度進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算得到力學(xué)性能數(shù)據(jù)。該方法操作簡(jiǎn) 單，測(cè)試所需時(shí)間短，反饋數(shù)據(jù)及時(shí)等特點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明具體檢測(cè)步驟如下：
[0007] (1)、制樣
[0008] 在薄片材料上，選擇間距為10-30mm，平行貼上2條膠帶（膠帶無(wú)特殊要求），將碳 纖維多尺度增強(qiáng)體材料試樣拉直，兩端分別固定在2條膠帶上，試樣間的距離為保證絲與 絲之間不互相粘連，在試樣的每一端上滴上膠粘劑，使試樣與薄片牢固的結(jié)合在一起，加載 前將與試樣垂直方向剪斷薄片，樣品待測(cè)；
[0009] (2)、試樣測(cè)試
[0010] 設(shè)置拉力試驗(yàn)機(jī)夾具的夾持長(zhǎng)度在l〇mm- 30mm之間，將制好樣品固定在夾具上， 加載前試樣與加載軸線同軸，拉力試驗(yàn)機(jī)的速度設(shè)定在〇. 5mm/min- 3mm/min之間，啟動(dòng)拉 力試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)始進(jìn)行樣品測(cè)試。距離夾具在2_以內(nèi)斷開(kāi)的其結(jié)果不計(jì)，每組測(cè)試樣品有效 數(shù)據(jù)不少于20個(gè)，結(jié)果取其平均值；
[0011] (3)、結(jié)果計(jì)算
[0012] 在拉力機(jī)軟件中輸入多尺度增強(qiáng)體纖維的截面積，即可計(jì)算出碳纖維多尺度增強(qiáng) 體材料的拉伸強(qiáng)度、表觀拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率。
[0013] 拉伸強(qiáng)度：S=F/A........................... (1)
[0014] 式中：
[0015] S-多尺度纖維拉伸強(qiáng)度（GPa);
[0016] F-拉伸的最大載荷（N);
[0017] A-多尺度纖維的截面積（um2)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡測(cè)得直徑計(jì)算得到。
[0018] 表觀拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/T3362-2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》 中規(guī)定方法進(jìn)行計(jì)算。
[0019] 拉伸彈性模量按式計(jì)算：
[0020] ML X K 10s ------------------------------ （2)
[0021] 式中：
[0022] Et-拉伸彈性模量，單位為千兆帕（GPa);
[0023] AF-由應(yīng)力一應(yīng)變曲線初始直線段上截取的載荷值，單位為牛（N);
[0024] A-同⑴式；
[0025] L-加強(qiáng)片之間的試樣長(zhǎng)度，單位為毫米（mm);
[0026] AL-加強(qiáng)片之間的試樣長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于AP的變形增量，單位為毫米（mm)。
[0027] 復(fù)絲的斷裂伸長(zhǎng)率按下式計(jì)算：
[0028] ^ ? X (3)
[0029] 式中：
[0030] et-斷裂伸長(zhǎng)率，％ ;
[0031] L-同⑵式；
[0032] ALb-斷裂伸長(zhǎng)，單位為毫米（mm)。
[0033] 如上所述的薄片材料為薄紙片、柔性金屬片或塑料片。
[0034] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下：
[0035] 本發(fā)明屬于測(cè)試技術(shù)，提供了一種碳纖維多尺度增強(qiáng)體力學(xué)性能的檢測(cè)方法該方 法適用于聚丙烯腈基碳纖維，同時(shí)還適用于瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維多尺度增強(qiáng)體材 料力學(xué)性能的測(cè)試。其特征在于多尺度增強(qiáng)體纖維經(jīng)過(guò)在薄片制樣貼片后，選擇合適的夾 持長(zhǎng)度、速度進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算得到力學(xué)性能數(shù)據(jù)。該方法操作簡(jiǎn)單，測(cè) 試所需時(shí)間短，反饋數(shù)據(jù)及時(shí)等特點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 實(shí)施例1 :在拉力機(jī)不同夾持長(zhǎng)度下測(cè)試碳納米管一碳纖維多尺度增強(qiáng)體材料的 力學(xué)性能。
[0037] 1. 1 -種碳納米管一碳纖維多尺度增強(qiáng)體的制備：采用化學(xué)氣相沉積法制備多尺 度材料碳納米管一碳纖維，以碳纖維為生長(zhǎng)基體，低分子氣態(tài)或液態(tài)烴類(lèi)碳源在高溫條件 下被過(guò)渡金屬催化分解后在碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的過(guò)程。本實(shí)施例中采用霧化輔助化 學(xué)氣相沉積法制備碳納米管一碳纖維多尺度增強(qiáng)體材料，具體方法為：將碳纖維均勻平鋪 于坩鍋中置于石英管的恒溫區(qū)，并將兩端封閉，在氮?dú)鈿夥障?，通過(guò)程序控溫升溫至一定溫 度后，利用平流栗將一定濃度的催化劑滴加于石英管前端，受熱后至石英管恒溫區(qū)，將催化 劑二均勻的負(fù)載與纖維表面上，一定溫度下持續(xù)一段時(shí)間，，當(dāng)溫度升至設(shè)定溫度后，通入 一定體積比的乙炔/氫氣/氮?dú)庠谔祭w維表面生長(zhǎng)碳納米管制備碳納米管一碳纖維（中國(guó) 科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文，安鋒，CNF/碳纖維多尺度增強(qiáng)材料的制備及復(fù)合材料界面 性能評(píng)價(jià)，2012年，38頁(yè)）。
[0038] 1. 2挑選上述制備的碳納米管一碳纖維多尺度增強(qiáng)體單絲，在薄紙片選擇間距為 10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，平行貼上2條膠帶，將碳納米管一碳纖維多尺度增強(qiáng)體單絲 試樣兩端分別固定在2條膠帶上，試樣拉直為止，試樣間的平行距離為保證絲與絲之間不 互相粘連，在試樣的每一端上滴上膠粘劑，使試樣與薄紙片牢固的結(jié)合在一起，加載前將與 試樣垂直方向剪斷薄紙片，樣品待測(cè)；
[0039] 1. 3將試驗(yàn)機(jī)夾持長(zhǎng)度設(shè)定為：10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，拉力機(jī)速度設(shè)定為 0. 5mm/min的條件下進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試。
[0040] 1. 4若試樣斷裂在離夾具頭2_內(nèi)斷裂時(shí)，其結(jié)果不計(jì)，每組樣品重復(fù)測(cè)試有
[0041 ] 效試驗(yàn)數(shù)據(jù)為20個(gè)，結(jié)果取其平均值。
[0042] 1. 5結(jié)果計(jì)算
[0043] 在拉力機(jī)軟件中輸入多尺度增強(qiáng)體纖維的截面積，即可計(jì)算出碳纖維多尺度增強(qiáng) 體材料的拉伸強(qiáng)度、表觀拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率。
[0044] 拉伸強(qiáng)度：S=F/A........................... (1)
[0045] 式中：
[0046] S-多尺度纖維拉伸強(qiáng)度（GPa);
[0047] F-拉伸的最大載荷（N);
[0048]A-多尺度纖維的截面積（um2)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡測(cè)得直徑計(jì)算得到，測(cè)試五根碳 納米管一碳纖維多尺度增強(qiáng)體單絲樣品的直徑，取其平均值為7um。
[0049] 表觀拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/T3362-2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》 中規(guī)定方法進(jìn)行計(jì)算。
[0050] 拉伸彈性模量按式計(jì)算：
[0051] ?手X玉xKf"" (2)
[0052] 式中：
[0053] Et-拉伸彈性模量，單位為千兆帕（GP