国产碳纤维拉伸性能研究_王自柯
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表1 四种碳纤维单丝拉伸强度的 Weibull 分布参数 Table 1 Weibull distribution parameters of single fiber
tensile strength of four kinds of carbon fibers
纤维种类 国产 1 型 国产 2 型 东丽 T700 级 台丽 TC36S 型 形状参数 m 5. 022 5. 580 3. 529 8. 093 尺度参数 σ 0 / GPa 3. 424 3. 897 5. 381 4. 766
［34］
* 国家重点基础研究发展计划（ 973 ） 资助项目（ 2012CB026203 ） 。 1988 年出生， 第一作者： 王自柯， 男， 博士 。 电子信箱： wangzike1711 @ sina． com 收稿日期： 2013 － 01 － 25
和单 丝 拉 伸 测 试 两 种 。 其 中， 束丝拉伸测试
， 同时试验结果可应用于复合材
［6 － 7］
料界面剪 切 强 度 的 计 算 学性能具有重要意义 。
和拉伸强度预测等模
中， 对于研究碳纤 维 及 纤 维 增 强 复 合 材 料 的 力
本研究采用单 丝 拉 伸 测 试 方 法， 对国产碳纤维 的拉伸性能进行系统表征， 并与东丽 、 台丽碳纤维的 力学性 能 进 行 对 比； 同 时， 采用扫描电子显微镜 SEM 测试对碳纤维单 丝 的 表 面 形 貌 结 构 进 行 研 究， 分析造成国产碳纤维力学性能与两种对比碳纤维不 同的原因 。 1 1. 1 试验部分 原材料 两种型号国产碳纤维均由国内某碳纤维生产企 业提供， 分别编号 为 国 产 1 型 和 国 产 2 型 。 用 于 对 比的两种碳 纤 维 分 别 为 日 本 东 丽 （ Toray ） 公 司 生 产 的 T700 级碳纤维和中 国 台 湾 塑 料 工 业 股 份 有 限 公 司生产的台丽 TC36S 型碳纤维 。4 种碳纤维束丝规 格均为 12 K ， 单丝直径为 7 μ m 。 1. 2 试验设备及标准 测试设备为上海中晨数字技术设备有限公司生 产的单纤维强 力 测 试 仪， 型 号 为 JQ03A 。 试 验 参 照 标准 ASTM D 3379 － 75《高 弹 性 模 数 单 丝 材 料 的 抗 拉强度和杨氏模量的试验方法 》 进行测试 。 扫描电子显微镜 SEM 由美国 FEI 公司生产， 型 号为 FEI-QUANTA 200F 。 1. 3 性能测试 单丝拉伸性能： 参照 ASTM D 3379 － 75 ， 选取的 拉伸跨距为 20 mm ， 黏结剂采用 F51 环氧树脂， 单丝 试样均在树脂固化 6 h 的条件下进行测试， 拉伸速率 取 0. 001 25 mm / s ， 每种碳纤维测试 100 个有效试样 。 SEM （ 扫描电子显微 镜 ） 测 试： 观 察 纤 维 单 丝 的 表面形貌结构， 观测倍数为 40 000 倍 。 2 2. 1 结果与讨论 单丝拉伸性能 对 100 根单丝试样测试结果进行统计， 其中拉伸 强度采用 Weibull 统计方法进行系统分析， 拉伸模量 和断裂伸长率取 100 个测试结果的算数平均值 。 2
［8］ ［5］
碳纤维属脆性 材 料， 其单丝拉伸强度具有较大 的离 散 性， 满 足 Weibull 分 布 函 数， 一维两参数的 Weibull 分布函数表达式如下［9 － 11］ ： F （ σ ） = 1 － exp － σ [ (σ )]
m 0
（ 1）
式中： F （ σ ） 为拉伸应力为 σ 时对应的累积概率 分 即 失 效 概 率； m 为 纤 维 的 形 状 参 数， 也称 布函数， Weibull 参数； σ 0 为对应测试跨距下的尺度参数； σ 为纤维的强度测试值 。 根据概率分布 函 数 F （ σ ） ，可 推 导 出 单 丝 拉 伸 强度的平均值 珚 σ、 标准差 S 和变异系数 C V 为关于形 状参数 m 和尺度参数 σ 0 的函数， 表达式如下： 1 珚 σ = σ0 Γ 1 + m S = σ0
尺度参数反映拉伸强度的高低， 尺度参数越大， 表明纤维的 强 度 值 越 高 。 4 种 纤 维 中， 尺度参数最 大的为东丽 T700 级碳 纤 维， 台 丽 TC36S 型 次 之， 两 种国产碳纤维尺度 参 数 较 小， 说明国产碳纤维的品 质较差 。 形状参数 反 映 拉 伸 强 度 的 离 散 程 度， 形状 参数越大， 说明纤 维 的 稳 定 性 能 越 好 。 形 状 参 数 最 大的为台丽 TC36S 型碳纤维， 达到了 8. 093 ， 远高于 其余 3 种纤维 。 从图 1 中台丽 TC36S 型碳纤维的拟 合曲线可 以 看 出， 拉 伸 强 度 在 4 ～ 5 GPa 变 化 时， 累
工业建筑 2013 年第 43 卷第 6 期
a — 国产 1 型； b — 国产 2 型； c — 东丽 T700 ； d — 台丽 TC36 S 型 — ◆ — 实测值； — — — 拟合线 图1 Fig． 1 4 种碳纤维单丝拉伸强度的数值拟合曲线
(
)
2 1 － Γ2 1 + m m
（ 2）
槡(
Γ 1 +
)
(
) )
（ 3）
CV
S = = 珚 σ Γ（ S） =
槡( ∫
+∞ 0
Γ 1 +
2 1 － Γ2 1 + m m 1 Γ 1 + m
(
)
( )
（ 4）
其中
e － x x S －1 dx （ S ＞ 0 ）
式中： Γ 为伽玛函数（ Gamma Function ） 。 对 100 根单 丝 拉 伸 强 度 值 采 用 MATLAB 软 件 4 种试样的测试结果拟合曲 根据公式（ 1 ） 进行拟合， 线如图 1 所 示 。 国 产 1 型 、 国 产 2 型、 东 丽 T700 级 和台丽 TC36S 型 碳 纤 维 的 拉 伸 强 度 的 形 状 参 数 和 尺度参数见表 1 。
编者按： 纤维增强复合材 料 （ FRP ） 具 有 轻 质 高 强 、 耐 腐 蚀 等 优 点， 已 在 土 木、 水 利、 交 通、 能源 、 航空航天等工程领域得到 广 泛 应 用 。 本 刊 追 踪 FRP 领 域 的 发 展 动 态， 结合国家自然科 学基金 、 国家“863 ” 科技项目 、 国 家“973 ” 计 划 等 研 究 课 题 的 新 成 果， 针 对 FRP 材 料 制 品 研 究 FRP 复合材料的力学性能研究 、 FRP 复合材料的耐久性能 、 FRP 在结构加固中的应用 、 预 开发 、 应力 FRP 混凝土结构等方面的研究进行报道， 以促进 FRP 在建设工程领域的相关研究及技术 推广， 提高该领域的科学研究和工程应用水平 。
， 碳纤维 作 为 复 合 材 料 的 增 强 体， 其性能的优
［2］
国 劣直接决定了复 合 材 料 的 整 体 性 能 。 近 几 年 来， 内掀起了一股生产 碳 纤 维 的 热 潮 ， 并取得了阶段 性成果， 国产碳纤 维 的 力 学 性 能 有 了 显 著 提 高 。 系 对于评价国产纤 统地表征国产碳纤 维 的 力 学 性 能， 维以及进一步提高国产碳纤维的主要性能指标具有 重要的指导意义 。 碳纤维力学性能常用的测试方法有束丝拉伸测 试
STUDY OF THE TENSILE PROPERTIES OF DOMESTIC CARBON FIBERS
Wang Zike Xian Guijun Li Hui
（ School of Civil Engineering ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150090 ，China ） Abstract ： The tensile mechanical properties of single carbon fibers produced in China were tested． The Weibull distribution function was used to analyze the testing results． It is found that the tensile strength of the domestic carbon fibers is much lower than that of Toray T700 and TC36S carbon fibers． Scanning electron microscope （ SEM ） analysis shows that the surface of Toray T700 carbon fiber is smooth ，and there are shallow grooves on the surface of TC36S carbon fiber ； whereas there are wider and deeper groover on the surface of domestic carbon fiber． Which may be responsible for relatively lower tensile strengths． Keywords ： domestic carbon fibers ； filament tensile test ； mechanical properties ； surface structures
碳纤维增强复 合 材 料 （ CFRP ） 以 其 轻 质 、 高 强、 耐腐蚀等 优 点 在 土 木 工 程 领 域 中 得 到 了 广 泛 地 应 用
［1］
固化， 最后对固化 好 的 试 样 进 行 拉 伸 测 试 。 束 丝 拉 伸测试方法 可 以 参 照 GB / T 3362 —2005《碳 纤 维 复 丝拉伸性 能 试 验 方 法 》 或 ASTM D 4018 —99《碳 及 石墨 纤 维 束 的 连 续 长 丝 抗 拉 特 性 的 标 准 试 验 方 。 单丝拉伸测试 方 法 是 指 先 从 纤 维 束 中 抽 取 单 法》 根碳纤维， 粘结固定在试样卡片的两端， 最后利用精 密拉 伸 设 备 进 行 测 试 的 方 法， 可 以 参 照 ASTM D 3379 —75《高弹性模数 单 丝 材 料 的 抗 拉 强 度 和 杨 氏
国产碳纤维拉伸性能研究
王自柯 咸贵军 李 惠
150090 ） （ 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔ຫໍສະໝຸດ Baidu 摘
*
要： 通过单丝拉伸试验方法对 国 产 碳 纤 维 的 单 丝 拉 伸 性 能 进 行 系 统 测 试 ， 并 采 用 Weibull 分 布 函 数
对拉伸强度进行统计分析 。 结果表明， 国产碳纤维的单丝拉伸性 能 指 标 与 东 丽 T700 级 和 台 丽 TC36S 型 碳 纤 东 丽 T700 级 碳 纤 维 表 面 光 滑 平 整， 台 丽 TC36S 型 碳 纤 维仍存在较大差距 。 扫描电子显微镜 SEM 分析说明， 维表面有较浅沟槽， 国产碳纤维单丝 表 面 沟 槽 较 宽 、 较 深， 表面结构的特点可能是导致国产碳纤维拉伸强度 较低的主要原因 。 关键词： 国产碳纤维； 单丝拉伸； 力学性能； 表面结构 DOI ： 10. 7617 / j． issn． 10008993. 2013. 06. 001
方法是指先将处于蓬松状态下的一束碳纤维经树脂 完全浸渍处理， 然后 使 其 在 零 捻 度 方 向 一 定 张 力 下
Industrial Construction Vol. 43 ， No. 6 ， 2013
工业建筑
2013 年第 43 卷第 6 期
1
模量的试验方法 》 进行测试 。 比较两种测试 方 法， 束丝拉伸测试的优点是操 工作量小； 单丝拉伸测试由于需要统计大量 作简单， 单丝的拉伸数据， 工作量相对较大， 且测试结果易受 多种试验因素的 影 响 。 然 而， 单丝拉伸测试方法的 优点是能够深入 、 系统地对碳纤维拉伸强度及其离 散程度进行表征 型
tensile strength of four kinds of carbon fibers
纤维种类 国产 1 型 国产 2 型 东丽 T700 级 台丽 TC36S 型 形状参数 m 5. 022 5. 580 3. 529 8. 093 尺度参数 σ 0 / GPa 3. 424 3. 897 5. 381 4. 766
［34］
* 国家重点基础研究发展计划（ 973 ） 资助项目（ 2012CB026203 ） 。 1988 年出生， 第一作者： 王自柯， 男， 博士 。 电子信箱： wangzike1711 @ sina． com 收稿日期： 2013 － 01 － 25
和单 丝 拉 伸 测 试 两 种 。 其 中， 束丝拉伸测试
， 同时试验结果可应用于复合材
［6 － 7］
料界面剪 切 强 度 的 计 算 学性能具有重要意义 。
和拉伸强度预测等模
中， 对于研究碳纤 维 及 纤 维 增 强 复 合 材 料 的 力
本研究采用单 丝 拉 伸 测 试 方 法， 对国产碳纤维 的拉伸性能进行系统表征， 并与东丽 、 台丽碳纤维的 力学性 能 进 行 对 比； 同 时， 采用扫描电子显微镜 SEM 测试对碳纤维单 丝 的 表 面 形 貌 结 构 进 行 研 究， 分析造成国产碳纤维力学性能与两种对比碳纤维不 同的原因 。 1 1. 1 试验部分 原材料 两种型号国产碳纤维均由国内某碳纤维生产企 业提供， 分别编号 为 国 产 1 型 和 国 产 2 型 。 用 于 对 比的两种碳 纤 维 分 别 为 日 本 东 丽 （ Toray ） 公 司 生 产 的 T700 级碳纤维和中 国 台 湾 塑 料 工 业 股 份 有 限 公 司生产的台丽 TC36S 型碳纤维 。4 种碳纤维束丝规 格均为 12 K ， 单丝直径为 7 μ m 。 1. 2 试验设备及标准 测试设备为上海中晨数字技术设备有限公司生 产的单纤维强 力 测 试 仪， 型 号 为 JQ03A 。 试 验 参 照 标准 ASTM D 3379 － 75《高 弹 性 模 数 单 丝 材 料 的 抗 拉强度和杨氏模量的试验方法 》 进行测试 。 扫描电子显微镜 SEM 由美国 FEI 公司生产， 型 号为 FEI-QUANTA 200F 。 1. 3 性能测试 单丝拉伸性能： 参照 ASTM D 3379 － 75 ， 选取的 拉伸跨距为 20 mm ， 黏结剂采用 F51 环氧树脂， 单丝 试样均在树脂固化 6 h 的条件下进行测试， 拉伸速率 取 0. 001 25 mm / s ， 每种碳纤维测试 100 个有效试样 。 SEM （ 扫描电子显微 镜 ） 测 试： 观 察 纤 维 单 丝 的 表面形貌结构， 观测倍数为 40 000 倍 。 2 2. 1 结果与讨论 单丝拉伸性能 对 100 根单丝试样测试结果进行统计， 其中拉伸 强度采用 Weibull 统计方法进行系统分析， 拉伸模量 和断裂伸长率取 100 个测试结果的算数平均值 。 2
［8］ ［5］
碳纤维属脆性 材 料， 其单丝拉伸强度具有较大 的离 散 性， 满 足 Weibull 分 布 函 数， 一维两参数的 Weibull 分布函数表达式如下［9 － 11］ ： F （ σ ） = 1 － exp － σ [ (σ )]
m 0
（ 1）
式中： F （ σ ） 为拉伸应力为 σ 时对应的累积概率 分 即 失 效 概 率； m 为 纤 维 的 形 状 参 数， 也称 布函数， Weibull 参数； σ 0 为对应测试跨距下的尺度参数； σ 为纤维的强度测试值 。 根据概率分布 函 数 F （ σ ） ，可 推 导 出 单 丝 拉 伸 强度的平均值 珚 σ、 标准差 S 和变异系数 C V 为关于形 状参数 m 和尺度参数 σ 0 的函数， 表达式如下： 1 珚 σ = σ0 Γ 1 + m S = σ0
尺度参数反映拉伸强度的高低， 尺度参数越大， 表明纤维的 强 度 值 越 高 。 4 种 纤 维 中， 尺度参数最 大的为东丽 T700 级碳 纤 维， 台 丽 TC36S 型 次 之， 两 种国产碳纤维尺度 参 数 较 小， 说明国产碳纤维的品 质较差 。 形状参数 反 映 拉 伸 强 度 的 离 散 程 度， 形状 参数越大， 说明纤 维 的 稳 定 性 能 越 好 。 形 状 参 数 最 大的为台丽 TC36S 型碳纤维， 达到了 8. 093 ， 远高于 其余 3 种纤维 。 从图 1 中台丽 TC36S 型碳纤维的拟 合曲线可 以 看 出， 拉 伸 强 度 在 4 ～ 5 GPa 变 化 时， 累
工业建筑 2013 年第 43 卷第 6 期
a — 国产 1 型； b — 国产 2 型； c — 东丽 T700 ； d — 台丽 TC36 S 型 — ◆ — 实测值； — — — 拟合线 图1 Fig． 1 4 种碳纤维单丝拉伸强度的数值拟合曲线
(
)
2 1 － Γ2 1 + m m
（ 2）
槡(
Γ 1 +
)
(
) )
（ 3）
CV
S = = 珚 σ Γ（ S） =
槡( ∫
+∞ 0
Γ 1 +
2 1 － Γ2 1 + m m 1 Γ 1 + m
(
)
( )
（ 4）
其中
e － x x S －1 dx （ S ＞ 0 ）
式中： Γ 为伽玛函数（ Gamma Function ） 。 对 100 根单 丝 拉 伸 强 度 值 采 用 MATLAB 软 件 4 种试样的测试结果拟合曲 根据公式（ 1 ） 进行拟合， 线如图 1 所 示 。 国 产 1 型 、 国 产 2 型、 东 丽 T700 级 和台丽 TC36S 型 碳 纤 维 的 拉 伸 强 度 的 形 状 参 数 和 尺度参数见表 1 。
编者按： 纤维增强复合材 料 （ FRP ） 具 有 轻 质 高 强 、 耐 腐 蚀 等 优 点， 已 在 土 木、 水 利、 交 通、 能源 、 航空航天等工程领域得到 广 泛 应 用 。 本 刊 追 踪 FRP 领 域 的 发 展 动 态， 结合国家自然科 学基金 、 国家“863 ” 科技项目 、 国 家“973 ” 计 划 等 研 究 课 题 的 新 成 果， 针 对 FRP 材 料 制 品 研 究 FRP 复合材料的力学性能研究 、 FRP 复合材料的耐久性能 、 FRP 在结构加固中的应用 、 预 开发 、 应力 FRP 混凝土结构等方面的研究进行报道， 以促进 FRP 在建设工程领域的相关研究及技术 推广， 提高该领域的科学研究和工程应用水平 。
， 碳纤维 作 为 复 合 材 料 的 增 强 体， 其性能的优
［2］
国 劣直接决定了复 合 材 料 的 整 体 性 能 。 近 几 年 来， 内掀起了一股生产 碳 纤 维 的 热 潮 ， 并取得了阶段 性成果， 国产碳纤 维 的 力 学 性 能 有 了 显 著 提 高 。 系 对于评价国产纤 统地表征国产碳纤 维 的 力 学 性 能， 维以及进一步提高国产碳纤维的主要性能指标具有 重要的指导意义 。 碳纤维力学性能常用的测试方法有束丝拉伸测 试
STUDY OF THE TENSILE PROPERTIES OF DOMESTIC CARBON FIBERS
Wang Zike Xian Guijun Li Hui
（ School of Civil Engineering ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150090 ，China ） Abstract ： The tensile mechanical properties of single carbon fibers produced in China were tested． The Weibull distribution function was used to analyze the testing results． It is found that the tensile strength of the domestic carbon fibers is much lower than that of Toray T700 and TC36S carbon fibers． Scanning electron microscope （ SEM ） analysis shows that the surface of Toray T700 carbon fiber is smooth ，and there are shallow grooves on the surface of TC36S carbon fiber ； whereas there are wider and deeper groover on the surface of domestic carbon fiber． Which may be responsible for relatively lower tensile strengths． Keywords ： domestic carbon fibers ； filament tensile test ； mechanical properties ； surface structures
碳纤维增强复 合 材 料 （ CFRP ） 以 其 轻 质 、 高 强、 耐腐蚀等 优 点 在 土 木 工 程 领 域 中 得 到 了 广 泛 地 应 用
［1］
固化， 最后对固化 好 的 试 样 进 行 拉 伸 测 试 。 束 丝 拉 伸测试方法 可 以 参 照 GB / T 3362 —2005《碳 纤 维 复 丝拉伸性 能 试 验 方 法 》 或 ASTM D 4018 —99《碳 及 石墨 纤 维 束 的 连 续 长 丝 抗 拉 特 性 的 标 准 试 验 方 。 单丝拉伸测试 方 法 是 指 先 从 纤 维 束 中 抽 取 单 法》 根碳纤维， 粘结固定在试样卡片的两端， 最后利用精 密拉 伸 设 备 进 行 测 试 的 方 法， 可 以 参 照 ASTM D 3379 —75《高弹性模数 单 丝 材 料 的 抗 拉 强 度 和 杨 氏
国产碳纤维拉伸性能研究
王自柯 咸贵军 李 惠
150090 ） （ 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔ຫໍສະໝຸດ Baidu 摘
*
要： 通过单丝拉伸试验方法对 国 产 碳 纤 维 的 单 丝 拉 伸 性 能 进 行 系 统 测 试 ， 并 采 用 Weibull 分 布 函 数
对拉伸强度进行统计分析 。 结果表明， 国产碳纤维的单丝拉伸性 能 指 标 与 东 丽 T700 级 和 台 丽 TC36S 型 碳 纤 东 丽 T700 级 碳 纤 维 表 面 光 滑 平 整， 台 丽 TC36S 型 碳 纤 维仍存在较大差距 。 扫描电子显微镜 SEM 分析说明， 维表面有较浅沟槽， 国产碳纤维单丝 表 面 沟 槽 较 宽 、 较 深， 表面结构的特点可能是导致国产碳纤维拉伸强度 较低的主要原因 。 关键词： 国产碳纤维； 单丝拉伸； 力学性能； 表面结构 DOI ： 10. 7617 / j． issn． 10008993. 2013. 06. 001
方法是指先将处于蓬松状态下的一束碳纤维经树脂 完全浸渍处理， 然后 使 其 在 零 捻 度 方 向 一 定 张 力 下
Industrial Construction Vol. 43 ， No. 6 ， 2013
工业建筑
2013 年第 43 卷第 6 期
1
模量的试验方法 》 进行测试 。 比较两种测试 方 法， 束丝拉伸测试的优点是操 工作量小； 单丝拉伸测试由于需要统计大量 作简单， 单丝的拉伸数据， 工作量相对较大， 且测试结果易受 多种试验因素的 影 响 。 然 而， 单丝拉伸测试方法的 优点是能够深入 、 系统地对碳纤维拉伸强度及其离 散程度进行表征 型