PAN基碳纖維成形和表面處理中的弱節(jié)生成與抑制機理.pdf

1、纖維的斷裂只發(fā)生在力學性質最弱處，因此，纖維的強伸性能取決于弱節(jié)處的結構，而非整體或平均的結構參數。本文以碳纖維弱節(jié)結構的研究為主要內容，探討了碳纖維弱節(jié)結構對其強度及離散的影響及碳纖維在表面處理過程中弱節(jié)結構的變化情況。這樣，針對各種弱節(jié)結構可能的出現(xiàn)原因，就可以找到有利于抑制這些弱節(jié)結構的工藝參數。本文將為提高碳纖維強度、穩(wěn)定碳纖維性能這一目標提供基礎理論研究。 首先需要精確獲得碳纖維拉伸性能的測試結果。本文討論了碳纖維強伸

2、實驗的影響因素。碳纖維是脆性纖維，強伸性能的測量過程中會引入各種損傷，導致實驗誤差，不能準確地表征碳纖維的強度及其離散。本文將分別討論實驗中可能的影響因素，如拉伸時纖維的預張力，粘結點的位置與粘結效果，拉伸方向是否平行與纖維軸向等，就上述因素對試驗結果的影響程度進行了評價，并提出了相應的校正方法，以剔除不正規(guī)實驗操作對碳纖維強度及離散測量結果的影響，確保較精準的測量碳纖維的強度及離散，做到真實的力學特征與弱節(jié)結構觀察相聯(lián)系。 為

3、了觀察碳纖維的弱節(jié)結構，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)形式一強度離散和體積效應。碳纖維的弱節(jié)結構各不相同，碳纖維的拉伸性能也就各不相同，這是纖維的強度離散的本質原因。本文對碳纖維的斷裂強力分布、斷裂應力分布、斷裂應變分布和模量分布與韋伯分布及高斯分布的擬和相關程度一一進行了討論。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。碳纖維的體積效

4、應是指在碳纖維的強伸性能測試過程中，測試隔距越長，直徑越大，其拉伸強度就越低。本文從測試隔距和直徑兩方面討論了試樣體積對測得強度的影響，并討論了體積離散對碳纖維力學性能離散的影響。 其次要表征碳纖維的弱節(jié)結構特征。本文以碳纖維的斷裂應力為依據對碳纖維進行分組，通過碳纖維拉伸斷面與其強度一一對應的原位SEM觀察法分析分別討論了各組的弱節(jié)結構特征和力學曲線特征。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力條件下斷裂的弱節(jié)結構中常出現(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致其弱節(jié)擴大和劣化進行了表征，以判斷表面處理的合理性。碳纖維經常作為復合材料的增強相，但其表面呈化學惰性，致使纖維與基體兩相間的界面粘結性能較差，因此碳纖維在使用前都要經過表面處理

6、，但處理不當會造成纖維拉伸強度的損失。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用的方法，并認為是工業(yè)生產中較有發(fā)展前途的表面處理方式，所以對碳纖維分別進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度變化情況及表面處理后強度隨放置時間的變化情況驗證兩種方法對弱節(jié)的影