PAN基碳纖維成形和表面處理中的弱節(jié)生成與抑制機(jī)理.pdf

1、纖維的斷裂只發(fā)生在力學(xué)性質(zhì)最弱處，因此，纖維的強(qiáng)伸性能取決于弱節(jié)處的結(jié)構(gòu)，而非整體或平均的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文以碳纖維弱節(jié)結(jié)構(gòu)的研究為主要內(nèi)容，探討了碳纖維弱節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度及離散的影響及碳纖維在表面處理過(guò)程中弱節(jié)結(jié)構(gòu)的變化情況。這樣，針對(duì)各種弱節(jié)結(jié)構(gòu)可能的出現(xiàn)原因，就可以找到有利于抑制這些弱節(jié)結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)。本文將為提高碳纖維強(qiáng)度、穩(wěn)定碳纖維性能這一目標(biāo)提供基礎(chǔ)理論研究。 首先需要精確獲得碳纖維拉伸性能的測(cè)試結(jié)果。本文討論了碳纖維強(qiáng)伸

2、實(shí)驗(yàn)的影響因素。碳纖維是脆性纖維，強(qiáng)伸性能的測(cè)量過(guò)程中會(huì)引入各種損傷，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差，不能準(zhǔn)確地表征碳纖維的強(qiáng)度及其離散。本文將分別討論實(shí)驗(yàn)中可能的影響因素，如拉伸時(shí)纖維的預(yù)張力，粘結(jié)點(diǎn)的位置與粘結(jié)效果，拉伸方向是否平行與纖維軸向等，就上述因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了相應(yīng)的校正方法，以剔除不正規(guī)實(shí)驗(yàn)操作對(duì)碳纖維強(qiáng)度及離散測(cè)量結(jié)果的影響，確保較精準(zhǔn)的測(cè)量碳纖維的強(qiáng)度及離散，做到真實(shí)的力學(xué)特征與弱節(jié)結(jié)構(gòu)觀察相聯(lián)系。 為

3、了觀察碳纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)，必須獲得碳纖維的真實(shí)斷面，本文討論了能夠得到較高碳纖維拉伸斷裂端保持率的實(shí)驗(yàn)方法。 本文討論了碳纖維弱節(jié)的兩種表現(xiàn)形式一強(qiáng)度離散和體積效應(yīng)。碳纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)各不相同，碳纖維的拉伸性能也就各不相同，這是纖維的強(qiáng)度離散的本質(zhì)原因。本文對(duì)碳纖維的斷裂強(qiáng)力分布、斷裂應(yīng)力分布、斷裂應(yīng)變分布和模量分布與韋伯分布及高斯分布的擬和相關(guān)程度一一進(jìn)行了討論。此外，碳纖維弱節(jié)還有另一種表現(xiàn)形勢(shì)一碳纖維的體積效應(yīng)。碳纖維的體積效

4、應(yīng)是指在碳纖維的強(qiáng)伸性能測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試隔距越長(zhǎng)，直徑越大，其拉伸強(qiáng)度就越低。本文從測(cè)試隔距和直徑兩方面討論了試樣體積對(duì)測(cè)得強(qiáng)度的影響，并討論了體積離散對(duì)碳纖維力學(xué)性能離散的影響。 其次要表征碳纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)特征。本文以碳纖維的斷裂應(yīng)力為依據(jù)對(duì)碳纖維進(jìn)行分組，通過(guò)碳纖維拉伸斷面與其強(qiáng)度一一對(duì)應(yīng)的原位SEM觀察法分析分別討論了各組的弱節(jié)結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)曲線特征。通過(guò)碳纖維拉伸斷面的SEM觀察分析可以了解以下信息：斷裂起始點(diǎn)的位置、裂

5、紋擴(kuò)展的方向、斷裂的可能起因及造成纖維斷裂的各缺陷及其在斷裂過(guò)程中的重要性。對(duì)于造成碳纖維在較低應(yīng)力條件下斷裂的弱節(jié)結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)的缺陷及對(duì)纖維斷裂有重要影響的缺陷，分析了其在碳纖維成形過(guò)程中可能的成因，并對(duì)應(yīng)討論了可行的抑制方法。再者對(duì)碳纖維的表面處理是否會(huì)導(dǎo)致其弱節(jié)擴(kuò)大和劣化進(jìn)行了表征，以判斷表面處理的合理性。碳纖維經(jīng)常作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，但其表面呈化學(xué)惰性，致使纖維與基體兩相間的界面粘結(jié)性能較差，因此碳纖維在使用前都要經(jīng)過(guò)表面處理

6、，但處理不當(dāng)會(huì)造成纖維拉伸強(qiáng)度的損失。等離子體表面處理和陽(yáng)極氧化表面處理是目前碳纖維表面處理方法中較常應(yīng)用的方法，并認(rèn)為是工業(yè)生產(chǎn)中較有發(fā)展前途的表面處理方式，所以對(duì)碳纖維分別進(jìn)行等離子體表面處理和陽(yáng)極氧化表面處理，通過(guò)對(duì)比兩種方法處理前后碳纖維表面浸潤(rùn)性能的變化情況及兩種方法表面處理后浸潤(rùn)性能的時(shí)間效應(yīng)分析碳纖維表面改性的處理效果；通過(guò)對(duì)比兩種方法表面處理后碳纖維的強(qiáng)度變化情況及表面處理后強(qiáng)度隨放置時(shí)間的變化情況驗(yàn)證兩種方法對(duì)弱節(jié)的影