沥青基碳纤维单丝的拉伸特性与纤维结构的研究

摘要

碳纤维的机械性能是由其结构决定的。目前，碳纤维的强度和模量远低于其理论值。特别是沥青基碳纤维的强度，普遍低于聚丙烯聚丙烯腈基碳纤维。因此，为了了解沥青基碳纤维强度低的原因，本研究采用扫描电镜(SEM)对中间相沥青基碳纤维单丝拉伸测试后的断面形貌进行了系统的观察，并考察其与强度的对应关系，以探究中间相沥青基高性能碳纤维的断裂形貌与强度的关系，为了解中间相沥青基碳纤维的断裂机理及提高强度性能提供有价值的线索。最后，本研究对脆性碳纤维采用视频测试模量的方法进行了探索。研究结果表明：
　　与常见的聚丙烯腈基碳纤维以及陶瓷纤维不同，高性能中间相沥青基碳纤维拉伸断面可观察到清晰的片层结构，表现出一种高度可辨的断口形貌，主要是由于其具有远距离晶体和缺陷的内在结构。
　　观察分析中间相沥青基碳纤维辐射状结构纤维的断面形貌主要分为：平整型，台阶型，山峰型，局部破碎型以及碎片型五种。碳纤维强度随断裂形貌而变化，其中平整型具有最低的断裂强度，台阶型稍高于平整型。局部破碎型、山峰型和破碎型的强度都高于全部试样的平均值，其中碎片型具有最高的平均强度。这其中某些断面形貌特征，如台阶型和碎片型，在众多文献里并没有描述过。
　　通过研究本实验室自制中间相沥青基碳纤维无规结构的断面形貌，无规结构结果显示断面形貌主要有：平整型，山峰型，沟槽型三种。碳纤维强度随断裂形貌不同而变化，与中间相沥青基碳纤维辐射状结构相似，平整型和山峰型分别具有最低和最高的平均强度。但与中间相沥青基碳纤维辐射状结构不同，无规结构纤维由于没有进行高温炭化及上浆工艺处理，其发现了一种不同的断裂形貌--沟槽型断裂形貌。沟槽型断裂形貌的强度略高于平整型。由于中间相沥青基碳纤维无规结构的炭化温度偏低，无规结构的断面形貌中并未发现类似于辐射状结构中碎片状的形貌存在。
　　由研究的两种结构的中间相沥青基碳纤维断面形貌可以看出，低强度的断口是相对平整的，随着强度的增加，断口表面变得粗糙、不平整。
　　通过探索实验，验证了视频模量系统用于测量脆性碳纤维模量的可行性。在保证工业相机帧率的前提下，尽量提高工业相机的像素，可以提高视频模量法的精确度。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 碳纤维概述

1.1.1 前言

1.1.2 碳纤维的分类

1.2 碳纤维微观结构

1.3 中间相沥青基碳纤维分类

1.4 碳纤维单丝拉伸性能测量及其影响因素

1.4.1 单丝拉伸测量方法

1.4.2 碳纤维拉伸实验的影响因素

1.5 国内外脆性纤维单丝模量测试方法简介

1.5.1 共振法测模量

1.5.2 超声无损检测

1.5.3 拉伸测试法

1.6 碳纤维力学性能研究

1.6.1 韦氏理论评价碳纤维强度离散性

1.6.2 PAN基碳纤维拉伸断裂研究

1.6.3 沥青基碳纤维拉伸断裂研究

1.7 本文研究目的与内容

第2章 实验材料及实验内容

2.1 实验材料

2.2 实验方案

2.2.1 拉伸实验方法

2.2.2 碳纤维强度的计算

2.2.3 碳纤维模量的测量

2.3 表征方法

2.3.1 细度仪

2.3.2 纤维强伸仪

2.3.3 台式扫描电镜及3D表面粗糙度测量

2.3.4 视频模量测试系统

第3章 沥青基辐射状碳纤维的拉伸性能研究

3.1 P1切断面形貌

3.2 拉伸断裂形貌

3.2.1 平整型断面形貌

3.2.2 台阶型断面形貌

3.2.3 局部破碎型断面形貌

3.2.4 山峰型断面形貌

3.2.5 破碎型断面形貌

3.2.6 拉伸强度与不同断裂模式的统计分析

3.3 断裂表面粗糙度的分析

3.4 P1碳纤维断裂模式的分析与讨论

3.5 本章小结

第4章 沥青基无规状碳纤维的拉伸性能研究

4.1 P2切断面形貌

4.2 拉伸断裂模式

4.2.1 山峰型断面形貌

4.2.2 平整型断面形貌

4.2.3 沟槽型断面形貌

4.2.4 特殊的断裂形貌

4.3 P2碳纤维断裂模式的分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 沥青碳纤维模量测试方法探究

5.1 视频模量法

5.2 结果分析

5.2.1 初期研究

5.2.2 改进方法实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录