高溫處理對PAN基碳纖維結(jié)構(gòu)與拉伸性能的影響.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)異性能，近年來，被廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，如橋梁結(jié)構(gòu)的加固及新建結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。同傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（如鋼筋）相比，CFRP在較高溫度下性能會急劇劣化甚至燃燒，故CFRP的高溫抗火性能是影響其土木工程應(yīng)用的重要因素之一。
　　CFRP的高溫抗火性能取決于碳纖維與樹脂基體，該領(lǐng)域的研究除針對CFRP及其結(jié)構(gòu)在高溫中性能演化外，還關(guān)注CFRP經(jīng)歷火災(zāi)后或其它高溫極端情況后的性能變化

2、，本文將著重研究高溫后情況，即第二種情況，并且針對碳纖維的性能演化。高溫火災(zāi)下，CFRP表面的碳纖維處于富氧環(huán)境，而CFRP內(nèi)部的碳纖維可能處于無氧環(huán)境。基于此，本文將采用兩種環(huán)境（空氣和氬氣）、兩種高溫處理效應(yīng)（時間和溫度）研究碳纖維高溫（400℃-700℃）處理后，其結(jié)構(gòu)與拉伸性能的演化規(guī)律，建立碳纖維拉伸性能、碳纖維結(jié)構(gòu)及高溫條件（時間、溫度）的相互關(guān)系模型。
　　結(jié)果表明，在空氣環(huán)境下，碳纖維質(zhì)量隨溫度的升高而快速下降，至

3、739℃左右，碳纖維完全分解，而在氬氣環(huán)境下，高溫處理沒有引起碳纖維質(zhì)量明顯下降。在空氣環(huán)境下，高溫處理引起碳纖維直徑降低，粗糙度增加，密度及C-C骨架含量逐步下降，表面無序，內(nèi)部微孔尺寸及微孔粗糙度增加，微晶尺寸變小，石墨層間距逐漸增大;而在氬氣環(huán)境下，纖維直徑基本保持不變，由于表面小溝槽合并，纖維粗糙度降低，C-C骨架及其它官能團(tuán)含量基本保持不變，但表面微晶缺陷引起的無序性增加，微孔、表面粗糙度及石墨層間距增大。
　　隨高溫處

4、理溫度增加，碳纖維的拉伸強(qiáng)度在空氣與氬氣環(huán)境下的退化規(guī)律基本一致；同樣溫度下，增加高溫處理時間，碳纖維在氬氣環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度保留率高于空氣環(huán)境；在空氣環(huán)境下，高溫處理導(dǎo)致碳纖維表面發(fā)生氧化刻蝕，拉伸模量下降，但在氬氣環(huán)境下，模量基本保持不變。
　　碳纖維可以簡化成為理想的兩層結(jié)構(gòu)模型（皮芯結(jié)構(gòu)模型），表層厚度為0.818μm，據(jù)此模型可知碳纖維在高溫下的分解溫度大約為550℃，分解時間大約為6小時。根據(jù)高溫處理后碳纖維力學(xué)性能的退