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    碳纖維單絲性能測試的重要意義與如何準確測試單纖維的強度

    嘉峪檢測網        2024-05-30 08:42

    碳纖維單絲測試的重要性

    在對復合材料進行建模分析時,需要輸入材料特性來進行可靠的預測,而預測的準確性在很大程度上取決于所使用的輸入數據。在碳纖維增強樹脂基復合材料中,碳纖維和基體是復合材料的基本組分,獲得它們的性能是預測復合材料力學性能的基礎。

     

    復合材料在拉伸作用下的失效通常與沿加載方向排列層的失效相一致,這些層的失效最終取決于碳纖維斷裂的積累,而預測碳纖維斷裂的發展過程并準確預測失效應變需要了解碳纖維的強度和剛度。由于微尺度缺陷的存在,碳纖維的斷裂失效是隨機的。因此,碳纖維強度不是用平均值表示,而是用概率分布表示,通常是威布爾分布,碳纖維單絲測試的重要意義不言而喻。

     

    此外,近日小編受某國際期刊邀請審理了一篇稿件,作者來自日本東京工業大學,該研究團隊使用單絲拉伸測試分析了玻璃纖維、PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和SiC四種纖維在液體中的拉伸強度,結果顯示:PAN基碳纖維和SiC纖維的拉伸強度受控于表面裂紋,而玻璃纖維和瀝青基碳纖維的拉伸強度受控于內部裂紋。由此可見,單絲測試對于揭示碳纖維高強度特性也有著重要意義。

     

    雖然碳纖維具有很高的強度,但碳纖維單絲拉伸強度的實驗測試與通常的力學拉伸強度實驗方法不同,因其脆性的物理特性使得很難通過采用試驗機夾頭進行夾持纖維單絲。同時,通過直接夾持測試其拉伸強度亦會對碳纖維造成一定的傷害,這常使得實驗的斷裂模式常發生在夾持處,造成了實驗結果的失效。碳纖維單絲測試的典型測試方法是使用剪紙紙或薄塑料片來固定纖維。

     

     

    碳纖維單絲測試過程

    碳纖維單絲拉伸強度檢測過程分為:分絲、固定片加固、檢測三個步驟:

    第一步:分絲過程比較麻煩,纖維直徑僅僅幾微米,因此很難分辨是一根還是兩根;

    第二步:將挑選后單絲在紙片上進行加固,一旦操作不慎就會導致纖維斷裂;

    第三步:在測試過程中被測試樣的一端夾持在電子式碳纖維強力儀的上夾持器上,試樣另一端夾持在下夾持器上,采用恒定的拉伸速度拉伸試樣,直至試樣斷裂。

    寧波材料所碳纖維及其復合材料團隊擁有德國FAVIMAT+型單絲纖維萬能測試儀,該裝置采用氣動夾持,半自動測試的方式,其測量綜合裝置可以測定普通化纖、高強高模芳綸、高強高模聚乙烯、碳纖維、金屬纖維、玻璃纖維、工程用短纖維等高性能纖維(拉伸強度、模量、斷裂伸長率)力學性能。

     

     

    單絲纖維萬能物性測試儀

    以碳纖維單絲力學性能測試為例,對同一根碳纖維單絲的橫截面和拉伸強度的組合測量可以將力-伸長率曲線直接轉化為應力-伸長率曲線。這是通過將每根碳纖維的單個橫截面的cN力歸一化來完成的,以在拉伸測試過程中接受以GPa表示的應力。同樣,這些應力-伸長率曲線的導數也可以直接以GPa為單位獲得,從而可以立即測量。

    使用FAVIMAT在20根碳纖維樣品上測得的最大力-伸長率,應力-伸長率和模量

     

    通過上述設備還可利用振法測定纖維線密度,可直接顯示線密度單值、平均值和變異系數。在線密度測試時,儀器會在確定的張力和振蕩長度下自動確定基本橫向振蕩的共振頻率。鑒于被測材料的密度,可以容易地確定有效橫截面,其精度通常比通過光學手段確定的精度更好??梢詫y量原理擴展到完整的振動分析,以便確定其他參數,例如彎曲剛度。

    作為一種通用測試儀,FAVIMAT+型單絲纖維萬能測試儀適用于所有類型的纖維,而其優異的長度和力分辨率(低至0.1 µN)使其成為一種有趣的測試儀器,也可用于其他應用,例如對納米非織造布的拉伸測試。該設備測試符合國家標準GB/T16256-1996、國際標準ISO1973-1995和國際化學纖維標準化局(BISFA)的試驗方法標準,適用于單根纖維的線密度測定,可廣泛應用于纖維、紡織等生產企業、檢驗機構和科研單位。

    碳纖維單絲拉伸性能測試往往需要進行數十根單絲甚至更多,才能獲得有效值,碳纖維由成千上萬根單絲組成,因此單絲拉伸性能測試后,可以通過單絲強度分度區間對纖維離散性進行綜合分析。

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    來源:碳纖維及其復合材料技術

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