碳纖維材料的應(yīng)用

碳纖維是一種含碳量超過(guò)90%的高強(qiáng)度、高模量纖維材料，以其“輕如羽毛，堅(jiān)如鋼鐵”的特性著稱。其應(yīng)用已從早期的航空航天領(lǐng)域迅速擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)角落。

1. 航空航天

飛機(jī)：大量用于機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、整流罩等主承力和次承力結(jié)構(gòu)件（如波音787、空客A350的復(fù)合材料用量超過(guò)50%）。能有效減輕重量，降低油耗。

航天器：用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、衛(wèi)星支架、太陽(yáng)能電池板等，減輕發(fā)射重量至關(guān)重要。

無(wú)人機(jī)：主流無(wú)人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)幾乎全部采用碳纖維復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)高推重比和長(zhǎng)航時(shí)。

2. 體育休閑用品（最普及的領(lǐng)域）

器材：高檔自行車車架、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、釣魚(yú)竿、賽艇、帆板、F1賽車等。目標(biāo)是減輕重量并提升剛性和強(qiáng)度。

3. 汽車工業(yè)（快速增長(zhǎng)領(lǐng)域）

高性能/賽車：用于車身面板、底盤、傳動(dòng)軸、內(nèi)飾等，以實(shí)現(xiàn)輕量化、提升加速和操控性能。

新能源車：對(duì)于電動(dòng)汽車，輕量化能直接提升續(xù)航里程，因此電池盒、車身結(jié)構(gòu)件應(yīng)用日益增多。

4. 新能源與工業(yè)領(lǐng)域

風(fēng)電：制造超大型風(fēng)機(jī)葉片，要求材料具有高比強(qiáng)度、高疲勞壽命以承受復(fù)雜載荷。

壓力容器：用于存儲(chǔ)氫氣和天然氣的高壓氣瓶（Type III, Type IV），重量輕且安全性高。

基礎(chǔ)設(shè)施：用于建筑結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)（替代鋼筋），以及橋梁、海港的修復(fù)。

5. 其他高科技領(lǐng)域

醫(yī)療器械：X光透視床板、假肢、骨科植入物、輪椅等，利用其高強(qiáng)度和X光透過(guò)性。

電子產(chǎn)品：筆記本電腦外殼、手機(jī)中框、無(wú)人機(jī)機(jī)身，兼顧輕薄、堅(jiān)固和散熱。

碳纖維材料的力學(xué)測(cè)試方法

碳纖維材料通常以復(fù)合材料的形式使用，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。其力學(xué)測(cè)試需針對(duì)復(fù)合材料的各向異性特點(diǎn)（不同方向性能不同）進(jìn)行。

核心測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際上廣泛遵循美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。

ASTM D3039：聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)。

ASTM D6641：復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)。

ASTM D7264：復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)。

ASTM D2344：復(fù)合材料短梁強(qiáng)度試驗(yàn)（層間剪切強(qiáng)度）。

ISO 527-4/5：塑料拉伸性能測(cè)試（針對(duì)復(fù)合材料部分）。

主要力學(xué)性能測(cè)試項(xiàng)目與方法

1. 拉伸測(cè)試

目的：測(cè)定拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比和斷裂應(yīng)變。

方法：使用啞鈴型或矩形平直試樣，兩端用專用夾具（如楔形夾、液壓夾）夾緊，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向拉伸。通常需粘貼應(yīng)變片或使用引伸計(jì)測(cè)量變形。

關(guān)鍵點(diǎn)：需測(cè)試0°（纖維方向） 和90°（垂直纖維方向） 以獲取不同方向的性能。

2. 壓縮測(cè)試

目的：測(cè)定壓縮強(qiáng)度和模量。

方法：比拉伸測(cè)試更復(fù)雜，因?yàn)槿菀装l(fā)生失穩(wěn)（屈曲）。常用方法有：

夾具支持法（ASTM D6641）：使用專用的防屈曲夾具支撐試樣大部分區(qū)域，只留一段工作區(qū)域受壓。

Celanese/ Illinois Institute of Technology Research Institute 方法：使用特定形狀的夾具。

3. 彎曲測(cè)試（三點(diǎn)/四點(diǎn)彎曲）

目的：測(cè)定彎曲強(qiáng)度、彎曲模量。這是一種簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制和篩選測(cè)試，綜合反映了材料的拉伸、壓縮和剪切性能。

方法：將矩形梁試樣置于兩個(gè)支撐輥上，中間一個(gè)或兩個(gè)加載輥向下施壓。通過(guò)載荷-位移曲線計(jì)算性能。

4. 層間剪切強(qiáng)度測(cè)試

目的：評(píng)估纖維與樹(shù)脂基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，這是復(fù)合材料的關(guān)鍵弱項(xiàng)。

方法：

短梁剪切（ASTM D2344）：使用小跨厚比的試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲，使其優(yōu)先發(fā)生層間剪切破壞。

雙缺口剪切：在試樣中間段加工兩個(gè)對(duì)稱缺口，引導(dǎo)剪切破壞發(fā)生在層間平面。

5. 疲勞測(cè)試

目的：評(píng)估在循環(huán)載荷下的性能退化，測(cè)定S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）。

方法：在疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣施加交變的拉伸-壓縮或拉伸-拉伸載荷，記錄直至失效的循環(huán)次數(shù)。

測(cè)試關(guān)鍵注意事項(xiàng)

1. 取樣方向：必須明確并記錄纖維鋪層方向和測(cè)試方向（0°， 90°， ±45°等）。

2. 試樣制備：切割質(zhì)量至關(guān)重要，需使用金剛石砂輪或水刀切割，避免邊緣分層和應(yīng)力集中。

3. 應(yīng)變測(cè)量：優(yōu)先使用應(yīng)變片，它比引伸計(jì)能更直接、更精確地測(cè)量局部應(yīng)變，尤其是模量計(jì)算。

4. 數(shù)據(jù)記錄：需要記錄完整的載荷-位移或應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線形狀能揭示材料的損傷演化過(guò)程。

5. 失效模式分析：測(cè)試后必須觀察和記錄試樣斷口形貌（如纖維斷裂、分層、基體開(kāi)裂等），這對(duì)于失效分析和材料改進(jìn)至關(guān)重要。

總結(jié)

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用正不斷向更廣、更深的領(lǐng)域拓展。而其力學(xué)性能測(cè)試是一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)體系，需要根據(jù)材料的使用場(chǎng)景和受力狀態(tài)，選擇合適的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法，并特別注意其各向異性的特點(diǎn)。精確的測(cè)試數(shù)據(jù)是進(jìn)行安全設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和材料研發(fā)的基石。