碳纤维拉伸性能的测试方法

（1：苏州经贸职业技术学院，苏州215001 2：曲阜师范大学自动化系）

摘要：本文主要以一种镀复碳纤维进行的强力伸长测试实验，论述了碳纤维强力伸长的测试方法和测试要求，以期帮助相关人员找到实用的碳纤维拉伸性能的检测方法。

关键词：碳纤维 强力 拉伸 测试

1 引言

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度是钢的7~4倍。碳纤维主要有两种生产方式，一种是以聚丙烯腈为原料的PAN基体碳纤维，另一种是沥青基的碳纤维。由于原料、模量、强度和最后的热处理温度不同，产生了特性不同的纤维，前者硬而脆的常用于复合材料，软而柔顺的常用于纺织；后者多被用于工程用料。

由于碳纤维技术的发展、成本的降低和产品产量的增加，除了在航空航天以及体育用品应用外,还广泛应用于建筑、运输、能源等领域；碳复合材料既可以作为结构材料承载重荷又可以作为功能材料发挥作用，已经成为某些制品的首选材料。碳纤维的碳化温度1000℃～2000℃，高温段产生高模量纤维，中温段产生高强度纤维，低温段生产低模量、低强度纤维；碳纤维具有一定的导电性能。碳纤维织物的外观类似于着色丝绸，但是其抗拉、剪切强度是相当优秀的。当然，研究碳纤维织物强度还要从其单纤维开始。目前，日本在碳纤维的研究比较前沿、标准完善，例如：JISK 1474活性碳试验方法、JIS R 7601 碳纤维试验方法、JIS K 1477纤维状活性碳试验方法；国际标准也有ISO 11566 碳纤维单纤试样拉伸性能的测定。由于碳纤维的特殊性能，碳纤维强力拉伸性能测试比较困难，本文参照了这些标准进行了测试研究。碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，不要对试样造成损伤。单纤维强伸性能试验通常采用纸框法固定试样，当然也不排除其他方法。

2 测试材料与仪器

以丙烯腈为原料的PAN基体的镀复碳纤维，取样盘，LLY-06型碳纤维强力机。

3 测试方法

3.1测试标准

国家碳纤维单根纤维拉伸性能测试标准尚未发布；国外采用标准：ISO11566 《碳纤维单纤试样拉伸性能的测定》、JIS R 7601《碳纤维试验方法》、JIS K1477《纤维状活性炭试验方法》，主要指标如下：

日本标准（JIS）的拉伸隔距10mm，拉伸速度0.5mm～10mm，采用衬纸固定试样，图示如下。

国际标准（ISO）的拉伸隔距25mm，拉伸速度1mm～5mm，采用衬纸固定试样，图示如下。

鉴于试样的难以测试，国外标准固定试样都有一个共同点：将单根碳纤维用松香或其它粘合剂固定在衬纸上。本试验参照国外标准的基础上进行综合形成。调湿和试验用标准大气按GB 6524执行：温度为（20±2）℃,相对湿度（65±3）%。

3.2 测试过程

3.2.1测试材料与制备

剪取适当长度的该碳纤维试验样品,用钢针沿着纤维方向将其分离，使试验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样，为保证测得结果的准确性，不能对碳纤维造成任何损伤。采用国外标准制作衬纸很麻烦，在试验过程中我用电脑制图找到一个简单易行的方法。取0.1mm左右厚的打印纸做基片；按图1尺寸用Word制图，划出一个尺寸合适的框，复制满A4纸打印（图1是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时，裁切线的长度应增加一倍）；直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除，然后两端贴上5mm宽的双面胶纸；抽取分离的单根碳纤维试验样品，沿中心虚线放上，并用双面胶纸固定。也可以用融化后的松香，将单根碳纤维 “焊接”在纸框上，其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用（试验证明：采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用，而且夹持试样时要离开“焊点”）；再用8～10mm宽的纸条，沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和试验样品端头，沿剪切线剪切，分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意：碳纤维的取样比较困难，尤其处理后的碳纤维，很细，也很难分辨是一根还是两根，根据实验中曲线对比进行判断如果记录下的曲线斜率明显大于其他试样的很有可能是两根纤维，必要时可以用放大镜配合取样。将准备好的试样放置在对比度比较大的纸上，以便清楚分辨试样位置，为了清楚观察试样，最好准备一个冷光源台灯。台灯放置不能太近，以免热空气导致的气流引起试样的飘动。

3.2.2测试

测试程序与仪器型号有关系。不同仪器型号其测试过程不同。下面分别用两种LLY-06E、LLY-06型单纤维强力仪的操作过程加以说明。打开仪器电源开关，设定操作程序，根据试验要求设定所需隔距，例如：25mm、50mm，本次实验取50mm。

按试验要求设定试验拉伸速度（1～5）mm/min，本实验取：2mm/min，如果采用松香固定试样时，上、下夹持器夹持试样时要离开“焊点”，以免试样脱落和断裂。

被测试样的一端夹持在电子式碳纤维强力仪的上夹持器上，试样另一端夹持在下夹持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸试样，直至试样断裂。记录单次值的断裂强力和断裂伸长等技术指标，试验结束后仪器自动给出所有技术指标的统计值。和PC机联机可获得实时曲线，便于分析技术数据。

3.2.2.1气动夹紧的拉伸试验（LLY-06E型）

将上述准备好的待测试样一端沿着裁切线宽度边缘，用上夹持器夹紧，另一端沿着裁切线宽度边缘被下夹持器夹紧，并将夹紧的待测试样两侧剪断，按“拉伸”，使下夹持器下行，试样断裂后，下夹持器自动返回。重复测试过程，做完设定次数。仪器会在试验过程中自动打印试验记录。由于夹持器没有直接夹持试样，减少了试样断裂在钳口的概率。该测试适用于气动夹紧夹持器的仪器。如需联机，应在开启电源前接好PC接口，开启电脑、启动程序，根据要求设定数据，然后点击“实验”进入试验状态。

3.2.2.2手动夹持器夹紧的直接拉伸试验（LLY-06型）

由于社会上手动夹持、通用的单纤维强力仪较多，我曾经在上面做过大量试验。这一类单纤维强力仪的夹持器不适合衬纸固定试样，只有用传统方式夹持拉伸，实践证明：只要仪器技术达标，细心一些也可以作，但是手法很重要。

将上夹持器取下平放在衬垫上，把一束碳纤维试验样品放在夹持器左前方；右手向右抽取一根碳纤维，左手推动夹持器（注：右手不动），配合碳纤维导入夹持器钳口内适当的长度，右手脱开试样，左手旋紧夹持器。

左手把夹持器挂在传感器的吊钩上，这时试样呈自然悬垂状态，右手轻轻将碳纤维导入下夹持器内，左手将下夹持器旋紧；按“拉伸”键下夹持器开始下行，试样断裂后下夹持器自动返回。重复此过程以完成设定次数，仪器会在试验过程中自动打印试验记录。在实验中，如果试样经常断裂在钳口，可以考虑在钳口包覆一层衬垫。

4 结果与分析

试验按照3.2.1制备了试样，采用3.2.2.1描述的方法进行了试验，实测数据见下表：

LLY-06E数据报表

试验员: 张斌 标 准: ISO11566 批号:2-2-2 样品名称:镀复碳纤维

隔 距: 50 mm 速度: 2 mm/min 温湿度: 22℃ 60 % 次数: 20

图2强力-伸长曲线

从测得数据来看出了单根碳纤维的特性：断裂强力比较小，断裂伸长率很小，拉伸曲线呈线性，屈服点和断裂点几乎吻合。

5 结论

碳纤维单根拉伸性能检测的难点在于其剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，通过3.2.1描述的试样制备后，试验就会比较容易。在国外标准试样制备固定试样都有一个共同点：将单根碳纤维用松香或其它粘合剂固定在衬纸上，经试验效果没有用双面胶纸固定试样方便、可靠。由于碳纤维的断裂伸长率很小的特性，采用比较大的隔距是对的。通用单纤维强力仪并非做不了碳纤维单根拉伸性能检测，实践证明：只要仪器技术指标符合要求，细心一些也可以作，但是手法很重要。

参考文献：

1 ISO11566《碳纤维 单纤试样拉伸性能的测定》

2 JIS R 7601《碳纤维试验方法》

3 JIS K1477《纤维状活性炭试验方法》

4 JISK 1474活性碳试验方法

发表于《纺织标准与质量》2007.4