碳纖維綜合力學性能與復(fù)合材料拉伸強度的離散性研究.pdf

1、碳纖維具有高強高模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞，熱膨脹系數(shù)低等諸多卓越的性能在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而由于實驗條件和實驗設(shè)備等各方面的限制，對碳纖維微觀力學性能的實驗研究還很不成熟，尤其是碳纖維壓縮性能、斷裂韌性的研究還處于初步探討階段，在這樣的背景下，完成對碳纖維綜合力學性能的分析具有重要的工程和學術(shù)意義；同時，由于碳纖維本身存在各種各樣的內(nèi)部和外部缺陷，使得其拉伸性能存在較大的離散，為了從理論上分析碳纖維拉伸性能的離散程度對復(fù)合材料強

2、度的影響，本文采用剪滯理論和Monte-Carlo模擬方法建立了二者之間的細觀力學模型，給出了二者之間的離散關(guān)系，為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計、性能評價提供理論指導(dǎo)。
　　本文針對日本東麗產(chǎn)的高強和高模碳纖維和國產(chǎn)碳纖維(CCF)，分別進行了拉伸性能、壓縮性能、斷裂韌性的實驗研究，同時分析了碳纖維拉伸性能離散性對復(fù)合材料強度的影響，綜合來說，本文的主要內(nèi)容如下：
　　1．碳纖維壓縮強度的實驗研究：本文首先通過歐拉失穩(wěn)理論初步估算了碳

3、纖維單絲發(fā)生橫向變形的臨界長度；考慮到碳纖維是脆性材料，在壓縮載荷作用的情況下變形較小，難以通過直接的方法獲得相應(yīng)的壓縮強力，因此在設(shè)計實驗的過程中通過將纖維的變形轉(zhuǎn)換為測試懸臂梁的變形，進而利用平衡關(guān)系得到纖維的變形和壓縮強力，完成了碳纖維單絲壓縮強度的實驗分析。
　　2．碳纖維斷裂韌性的實驗研究：為了獲得不同拉伸強度的碳纖維單絲，需要制作具有不同缺陷的碳纖維單絲試件，由于碳纖維本身的直徑只有7μm左右，無論采用磨蝕方法還是采用

4、TiC或TiN等化學試劑蒸氣溶解的方法，都難以有效控制缺陷的位置和大小，為了解決這一問題，本文采用聚焦粒子束(FIB)表面刻蝕技術(shù)在制作了碳纖維單絲的一系列缺陷，在此基礎(chǔ)上，采用Griffith理論和鏡像理論的方法估算得到碳纖維的斷裂韌性參數(shù)KIC。
　　3．碳纖維拉伸強度的實驗研究：由于在碳纖維本身的微觀結(jié)構(gòu)中存在弱節(jié)，表現(xiàn)在宏觀上即是強度離散和體積效應(yīng)，同時碳纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)也各不相同，因此使其拉伸性能各不相同，這便形成了強度離

5、散的本質(zhì)原因，為了分析碳纖維的拉伸性能，本文分別采用Weibull和Gauss兩種概率分布形式對碳纖維的拉伸性能進行了統(tǒng)計歸納，并進行了一一討論分析；通過理論分析后認為：纖維隔距越長，直徑越大，拉伸強度就越低，所以在本文中分別從纖維的測試隔距和直徑兩方面分析了試件體積對測試強度的影響。
　　4．碳纖維單絲與復(fù)合材料拉伸強度的離散性關(guān)聯(lián)：碳纖維單絲本身的強度離散影響著復(fù)合材料宏觀的力學性能，本文根據(jù)碳纖維單絲拉伸強度的Weibull