Ｆｉｇ．２ＸＰＳｏｆＴ３００ａｎｄＴＴＯＯｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｓｕｒｆａｃｅｓ
表２碳纤维表面的原子组成
Ｔａｂｌｅ２Ａｔｏｍｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｓｕｒｆａｃｅｓ
图３为两种碳纤维单丝的表面形貌。显而易见，二者的表面物理状态有着非常明显的区别。Ｔ３００碳纤维表面呈现出错综复杂的沟槽，相当粗糙；而Ｔ７００纤维的表面则比较光滑。不同的表面形貌可能对纤维
观潮教学实录图３Ｔ３００（ａ）和Ｔ７００（ｂ）两种碳纤维表面形貌照片
Ｆｉｇ．３ＳｕｒｆａｃｅａｐｐｅａｒａｎｃｅｓｏｆＴ３００（ａ）ａｎｄＴＴ００（ｂ）ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ
２．２Ｃｆ／ＢＮ・Ｓｉ，Ｎ。复合材料的性能和微观结构分别以Ｔ３００和Ｔ７００两种不同的碳纤维编织件为增强体，采用四个ＰＩＰ工艺循环制备了Ｃｆ／ＢＮ—Ｓｉ。Ｎ。复合材料，编号为Ｃ－３和Ｃ－７。二者的力学性能及密度如表３所示。
表３不同纤维增强Ｃ，／ＢＮ－Ｓｉ，Ｎ．复合材料的性能
泄压阀Ｔａｂｌｅ３ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｆ／ＢＮ—Ｓｉ３Ｎ。ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ
可以看出，两种复合材料的密度基本相当，但力学性能却有较大的差别。由于编织件具有相同的编织方式，其空间网络状态一致，这使得先驱体在其中的浸渍效率没有区别，在进行相同的浸渍一裂解循环之后，基体的含量也大致相同，使得二者的密度相近。对于弯曲强度、弹性模量和断裂韧性而言，纤维的状态及纤维与基体的结合强度则起关键的作用。
图４是Ｃ，／ＢＮ—Ｓｉ。Ｎ。复合材料的应力一应变曲线。对于Ｔ３００碳纤维增强的复合材料，达到最大载荷时的应变不足０．５％，而且载荷在达到最大值之后突然下降，然后呈台阶式逐步降至一个很低的值。而对于ＴＴ００纤维增强的复合材料，其在最大载荷时的应变约为１．３％，而且在
此之前已经经历了一个应力屈服阶段；在此之后，载荷值的下降非常缓慢，到应变增加至３．０％时，仍然维持在一个相当高的水平。从曲线可以清晰地看出，Ｔ７００增强的复合材料与Ｔ３００相比，不仅强度更高，而且其断裂功和韧性有着非常明显的优势。同时，从曲线在达到最大载荷前的斜率我们注意到，Ｔ３００增强的复合材料的弹性模量略高。
图５是两种碳纤维增强的Ｃｆ／ＢＮ—Ｓｉ。Ｎ。复合材料断口的微观形貌照片。二者的区别非常明显。Ｔ３００纤维增强的复合材料中，纤维与基体的结合比较强，纤维拔出的数量相对较少，部分区域还出现了平齐的断
眼中体西航港一中
口。而在Ｔ７００纤维增强的复合材料中，出现了大面
３８材料工程／２００８年２期
图４Ｃｆ／ＢＮ—Ｓｉ３Ｎｔ复合材料的应力一应变曲线
Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｆｏｒＣｄＢＮ—Ｓｉ３Ｎ４ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
图５ｃｆ／ＢＮ—Ｓｉ３Ｎ．复合材料断口微观形貌
（ａ），（ｂ）Ｔ３００增强；（ｃ）ＴＴＯＯ增强Ｆｉｇ．５ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｇｈｓｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｓ
ｏｆｃｆ／ＢＩＮ—Ｓｉ３Ｎ‘ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
（ｉ），（ｂ）Ｔ３００；（ｃ）Ｔ７００
２．３Ｃｒ／ＢＮ－Ｓｉ，Ｎ。复合材料力学性能差异分析众所周知，对于复合材料而言，纤维与基体的界面是决定复合材料性能的关键因素，它控制着能量的吸收机制。由图５ｂ可以发现，Ｔ３００
碳纤维在拔出之后，表面粘附的基体很少，而且断面上纤维与基体的界面清晰可辨，裂纹也多在界面处产生。由此可以推断，碳纤维与ＢＮ—Ｓｉ：Ｎ。基体之间并没有发生强的化学反应，二者的结合以机械啮合为主。通过对两种碳纤维的结构与表面分析可知，二者的石墨化程度、表面活性均相差不大，只有表面的粗糙程度有着明显的区别。因此可以推断，两种复合材料性能的差异主要归因于两种纤维的表面物理状态。
当量
由于本研究所采用的陶瓷先驱体粘度非常低，流动性很好，而且，在浸溃的过程中，与纤维表面的润湿性也很好，因此，制得的复合材料中，纤维与基体能够充分接触，如图５ａ和图５ｂ所示。随着纤维表面粗糙程度的增加，纤维与基体之间的机械结合将会愈加紧密。但是，在复合材料的加载过程中，过强的界面结合不利于裂纹的偏转，这使得裂纹很容易从基体扩展到纤维之中，造成纤维的断裂；同样，强的结合界面使得纤维拔出的阻力很大，这就导致了Ｔ３００增强的复合材料中，断口的部分区域呈现出一定的脆性特征。而在Ｔ７００增强的复合材料中，由于纤维的光滑表面，使得界面结合相对较弱，纤维拔出的阻力也相应的比较小。因此，Ｔ７００增强复合材料的在断裂过程中，出现了大量的纤维拔出，材料的韧性也非常好。
弹性模量是考察材料在弹性形变阶段抵抗形变能力的一个参数。因为弹性形变在卸载之后会消失，材料也会恢复原貌，因此，在此过程中，加载的载荷相对较小，材料并未受到破坏。Ｔ３００增强的复合材料由于界面结合较强，在加载的过程中，基体会及时地将载荷传递给增强纤维，使纤维发挥出有
终极人类
效的增强作用；而Ｔ７００增强的复合材料由于相对较弱的结合界面，纤维和基体之间有可能发生微弱的脱粘效应，发生微量的相对滑动。因此，Ｔ３００增强的Ｃｆ／ＢＮ－Ｓｉ。Ｎ。复合材料的模量略高于Ｔ７００增强的复合材料是可以理解的。但是，当载荷高于材料所能承受的极限时，基体中的裂纹很容易通过强的结合界面造成纤维的断裂，而弱的结合界面则会延缓裂纹向纤维的扩展。这就造成了两种纤维增强的Ｃ。／ＢＮ—Ｓｉ。Ｎ。复合材料力学性能之间的差异。
积的纤维拔出现象。这也清晰地表明了二者韧性的巨
３大差异。结论
（１）Ｔ３００和Ｔ７００两种碳纤维的石墨化程度、表
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议