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)對其強(qiáng)度及離散的影響及碳纖維在表面處理過程中弱節(jié)結(jié)構(gòu)的變化情況。這樣，針對各種弱節(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試結(jié)果。本文討論了碳纖維強(qiáng)伸

2、實驗的影響因素。碳纖維是脆性纖維，強(qiáng)伸性能的測量過程中會引入各種損傷，導(dǎo)致實驗誤差，不能準(zhǔn)確地表征碳纖維的強(qiáng)度及其離散。本文將分別討論實驗中可能的影響因素，如拉伸時纖維的預(yù)張力，粘結(jié)點的位置與粘結(jié)效果，拉伸方向是否平行與纖維軸向等，就上述因素對試驗結(jié)果的影響程度進(jìn)行了評價，并提出了相應(yīng)的校正方法，以剔除不正規(guī)實驗操作對碳纖維強(qiáng)度及離散測量結(jié)果的影響，確保較精準(zhǔn)的測量碳纖維的強(qiáng)度及離散，做到真實的力學(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驗方法。 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)伸性能測試過程中，測試隔距越長，直徑越大，其拉伸強(qiáng)度就越低。本文從測試隔距和直徑兩方面討論了試樣體積對測得強(qiáng)度的影響，并討論了體積離散對碳纖維力學(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)對碳纖維進(jìn)行分組，通過碳纖維拉伸斷面與其強(qiáng)度一一對應(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程中的重要性。對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)的缺陷及對纖維斷裂有重要影響的缺陷，分析了其在碳纖維成形過程中可能的成因，并對應(yīng)討論了可行的抑制方法。再者對碳纖維的表面處理是否會導(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)過表面處理

6、，但處理不當(dāng)會造成纖維拉伸強(qiáng)度的損失。等離子體表面處理和陽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，所以對碳纖維分別進(jìn)行等離子體表面處理和陽極氧化表面處理，通過對比兩種方法處理前后碳纖維表面浸潤性能的變化情況及兩種方法表面處理后浸潤性能的時間效應(yīng)分析碳纖維表面改性的處理效果；通過對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)度隨放置時間的變化情況驗證兩種方法對弱節(jié)的影