碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能分析

  碳纤维是由黏胶、沥青或聚丙烯腈等有机纤维在N2、稀有气体等惰性气体中经1500C高温碳化所形成的纤维状聚合物碳其含碳量大于90%(质量分数)。质量轻、比强度高、比模量高(抗拉抗弯、抗扭)、电、传热、耐疲劳等是碳纤维的优异性能同时拥有超强适应环境能力和较强的抗化学药剂腐蚀能力被称谓为“21世纪最有生命力新型材料”。

  ①拉伸性能:单向碳纤维增强树脂基复合材料,沿纤维方向的拉伸模量跟纤维体积含量的增大成正比增加。但是如果采用的是短切碳纤维和玻璃布增强的材料层合板,拉升强度和拉升模量就不与纤维体积成正比增加,但是仍然保持随碳碳纤维体积增加而提升。通常情况下,复合材料的纤维方向的主弹性模量,双向是单向的0.5-0.55倍。而混杂纤维增强树脂基复合材料的弹性模量是拉伸模量的0.35-0.4倍。

  ②压缩性能:碳纤维树脂基复合材料的压缩性能由基体材料的质量决定,拉伸性能由碳纤维增强材料的质量决定。因此,要想提高碳纤维树脂基复合材料的压缩性能,就得立足于选用抗压强度较高的树脂基体。碳纤维树脂基复合材料的压缩特性和拉伸特性存在相似性,在应力小,纤维未压弯的条件下,压缩弹性的模量接近。

  ③弯曲性能:碳纤维增强树脂基复合材料的弯曲性能受几个因素的影响,具体包括碳纤维增强材料的种类、铺层方式和纤维织物种类。如果这三点不同,弯曲性能就不尽相同。当碳纤维增强树脂基复合材料的破坏发生时,破坏首先出现在增强碳纤维与基体材料的界面上,其次是基体材料的破坏,最后出现在增强材料。

  ④剪切性能:碳纤维增强树脂基复合材料的剪切强度主要和三个因素密切相关。其中包括:第一,碳纤维树脂界面粘接强度;第二,基体树脂强度;第三,纤维的含量。通过实验可以证明,复合材料的剪切弹性模量随着碳纤维含量的增大而呈上升趋势。

  随着高新技术的发展,碳纤维改性环氧树脂复合材料的研究日益深入在使用碳纤维改性后环氧树脂的强度、抗拉伸、耐磨性等都得到了提高。但是由于碳纤维材料本身的结构状态、物化性质等影响了与树脂基体兼容性使得碳纤维与环氧树脂复合材料仍存在许多缺陷。为使碳纤维材料与树脂基体能够很好相容以及在环氧树脂中均匀地分布,还需要探索适当的方法对碳纤维材料本身进行有机化改性。同时从碳纤维材料与树脂基体相互作用的机理,以及开发新型碳纤维都是今后纤维改性环氧树脂的研究重点。