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。在前幾期文章中介紹了碳纖維壓縮強(qiáng)度的常見(jiàn)測(cè)試方法、碳纖維的壓縮失效，而本文中主要介紹碳纖維結(jié)構(gòu)性能與單向復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系。

在上期文章中討論了碳纖維微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，圖1展示了碳纖維與復(fù)合材料之間的性能關(guān)系，圖中的這些數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和用于制造復(fù)合材料的碳纖維已知特性建立的。其中的復(fù)合材料性能代表了一種理想的情況，即基體完全固化，纖維-基體界面得到優(yōu)化，缺陷、空隙和錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)最小化。

即便如此，這些圖也展示了一些新的規(guī)律，并突出了碳纖維在決定復(fù)合材料壓縮性能方面的關(guān)鍵作用。圖中顯示了拉伸模量低于340 GPa的碳纖維（通常為標(biāo)準(zhǔn)模量230–240 GPa碳纖維）和中等模量碳纖維（290–325 GPa）兩組數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維，觀察到復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度隨著纖維拉伸模量的增加而增加。然而，當(dāng)拉伸模量在340 GPa及以上時(shí)，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著纖維拉伸模量的增加而降低（圖1a）。

圖1 商用纖維及其復(fù)合材料的性能關(guān)系a）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度vs碳纖維拉伸模量，b）復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度vs碳纖維拉伸強(qiáng)度，c）復(fù)合材料壓縮模量vs碳纖維拉伸模量，d）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度vs碳纖維壓縮強(qiáng)度

對(duì)于高模量纖維，微晶尺寸相對(duì)較高，因此壓縮性能會(huì)降低。對(duì)于中等模量或標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維，其晶粒尺寸、無(wú)支撐長(zhǎng)度較低，無(wú)序區(qū)域較大，從而提高了抗壓強(qiáng)度。毫無(wú)疑問(wèn)，還有其他因素在起作用，但這也清楚地表明，有一種理想的微觀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)微晶尺寸、距離、取向與孔徑和數(shù)量的平衡，從而優(yōu)化壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

圖1b顯示了纖維拉伸強(qiáng)度和復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度之間的線性關(guān)系，直到5GPa左右這種關(guān)系開(kāi)始變得不明顯。復(fù)合材料的纖維拉伸模量和壓縮模量之間的線性關(guān)系即使是非常高模量的碳纖維也可以在圖1c中觀察到。

最后，圖1d進(jìn)一步支持了纖維在影響復(fù)合材料性能中的重要作用，說(shuō)明了纖維和復(fù)合材料壓縮性能之間的線性關(guān)系。重要的是，如圖1d所示，40%至80%的纖維壓縮強(qiáng)度可轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度。纖維強(qiáng)度向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變時(shí)的這種降低可能與聚合物基體的界面相互作用以及制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷有關(guān)。

這些結(jié)果清楚地表明，盡管聚合物基體、基體纖維界面和整體復(fù)合材料質(zhì)量等因素很重要，但纖維的性能和微觀結(jié)構(gòu)顯然對(duì)提高性能至關(guān)重要。2008年日本東麗發(fā)表了一項(xiàng)專利，聲稱成功地獲得了高模量和高壓縮強(qiáng)度的碳纖維，并報(bào)告稱，控制微晶尺寸在確定壓縮性能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

為了進(jìn)一步研究這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，從已有文獻(xiàn)中收集了商用碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)信息，如微晶層間距（d）、微晶厚度（Lc，垂直于石墨片層方向）和微晶高度（La，沿石墨片層方向）。

然后將這些數(shù)據(jù)與來(lái)自文獻(xiàn)、制造商數(shù)據(jù)表的單向碳纖維復(fù)合材料的壓縮性能相結(jié)合，得到的復(fù)合材料壓縮模量和強(qiáng)度之間與微晶層間距d的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。可以看出，隨著微晶層間距d增加，復(fù)合材料的壓縮模量下降（圖2a），同時(shí)壓縮強(qiáng)度會(huì)提高（圖2）。

圖2 碳纖維微觀結(jié)構(gòu)微晶層間距d與a）復(fù)合材料壓縮模量和b）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖3顯示了單向復(fù)合材料的晶粒厚度和壓縮性能之間的關(guān)系。雖然復(fù)合材料的壓縮模量隨著晶粒厚度Lc的增加而增加，但復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著晶粒厚度的增加而降低。

圖3碳纖維微觀結(jié)構(gòu)厚度Lc對(duì)a）復(fù)合材料壓縮模量和b）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

微晶高度La與單向復(fù)合材料的壓縮性能之間存在相同的關(guān)系（圖4）。這些相關(guān)性進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與增強(qiáng)碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，較大的晶粒尺寸與較小的微晶層間距d相結(jié)合會(huì)降低復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度并增加復(fù)合材料的壓縮模量。

圖4碳纖維微晶尺寸La對(duì)a）復(fù)合材料壓縮模量和b）復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

上期文章提到，由于高溫碳化過(guò)程中連接石墨層的雜原子的消除，微晶層間距d變小。此次觀察到的結(jié)果與上期文章介紹的單纖維的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系非常吻合，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)纖維的微觀結(jié)構(gòu)在控制壓縮載荷下的性能方面的重要性。

然而，值得注意的是，對(duì)于同一種的纖維，文獻(xiàn)中報(bào)告了不同的復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度值（見(jiàn)圖2至圖4）。這再次得出結(jié)論，有其他因素如樹(shù)脂類型、纖維錯(cuò)位、缺陷或空隙，也會(huì)影響復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度，這將在后面的文章中討論。

審核編輯 ：李倩