摘 要

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

在本系列專題文章中，將會從微觀結(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度的常見測試方法，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：碳纖維及其復合材料壓縮性能專題

《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)

為了開發(fā)提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結(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)變過程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。

碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續(xù)熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預氧化（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)定化過程中，PAN纖維的線性結(jié)構(gòu)通過環(huán)化、脫氫和氧化等化學反應逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪徒Y(jié)構(gòu)。在該階段結(jié)束時，PAN纖維獲得足夠的熱穩(wěn)定性，可以承受碳化處理過程中的高溫。

與熱穩(wěn)定化不同，碳化過程必須在惰性氣氛中進行，以防止纖維熱解。在低溫碳化過程中，穩(wěn)定的PAN纖維在高達1000°C的溫度環(huán)境中，在精確的張力和停留時間下進行熱處理。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的區(qū)域，該區(qū)域往往更加無序和無定形，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支撐區(qū)域的屈曲有關，如圖2所示。有人認為，圖2f所示的單個碳平面的屈曲是碳纖維在壓縮載荷下的主要破壞機制。

而圖2a中所展示的機制表明，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制，則可以預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 碳纖維壓縮破壞機理

圖2c顯示了錯位晶粒的彎曲。在壓縮載荷下，失向晶粒會受到嚴重的彎曲力，并可能在拉伸或壓縮時失效。然而，也有研究稱，較高的晶粒取向會降低抗壓強度，這表明碳纖維的破壞機制與在壓縮載荷下排列不整齊的晶體的嚴重彎曲無關，而與屈曲相反。

雖然對于圖2d機理沒有給出明確的解釋，但可以理解，這一機制是不可能的，因為均勻的壓縮載荷作用在微晶的橫截面上，除非微晶平面之間存在嚴重缺陷。此外，如果考慮壓縮下整個微晶的屈曲（圖2e），則使用彈性理論進行理論計算得出的微觀結(jié)構(gòu)的預測抗壓強度將超過真實的碳纖維抗壓強度，從而使該理論失效。最后，根據(jù)理論計算和實際值之間的關系，提出碳纖維抗壓強度受限于不受支撐區(qū)域彎曲單個微晶平面所需的應力，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)，同時增加了纖維模量。

然而，這些微晶和石墨片狀結(jié)構(gòu)（見圖3）隨著它們的生長以及相關的無支撐孔隙或區(qū)域的長度，會成為壓縮性能的限制因素。為了解釋高模量和高強度纖維的壓縮破壞機制，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理

由于較長孔隙的存在，在較低的應力水平下，這些較大晶粒的屈曲更容易發(fā)生在無支撐區(qū)域，導致隨著負載的增加而破壞。相比之下，芯部區(qū)域多為無序和無定形結(jié)構(gòu)，由更小的孔和更小的微晶組成。這種無序區(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裂紋擴展耗散能量。

審核編輯 ：李倩