《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》新舊標(biāo)準(zhǔn)比較解析

文/梁燕 邱星翔 胡偉偉

（作者單位：江蘇省高性能纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

聚丙烯腈（PAN）基碳纖維是一種以PAN原絲為前驅(qū)體，經(jīng)過1000℃以上高溫處理制得的碳含量在90%以上的無(wú)機(jī)纖維材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻射、導(dǎo)電、傳熱、減震、降噪和相對(duì)密度小等一系列優(yōu)異性能[1]。

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上依賴于作為結(jié)構(gòu)材料的碳纖維的力學(xué)性能，碳纖維拉伸性能的正確測(cè)試是對(duì)其質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要內(nèi)容。碳纖維復(fù)絲拉伸性能是評(píng)價(jià)碳纖維性能的重要力學(xué)性能指標(biāo)，也是目前碳纖維生產(chǎn)廠家和應(yīng)用單位最為常見的材料性能考核指標(biāo)。碳纖維復(fù)絲是由多根碳纖維單絲并合而成的絲束，是碳纖維產(chǎn)品的主要形式之一，通常將碳纖維復(fù)絲與樹脂浸漬固化后，測(cè)試其拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量[2]。隨著碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，碳纖維的品種也不斷增加，如高強(qiáng)型碳纖維從T300發(fā)展到T700、T800和T1000，高模型碳纖維從M40發(fā)展到MJ型，碳纖維的根數(shù)從1K、3K增加到6K、12K和24K等，這些都給碳纖維的力學(xué)性能測(cè)試帶來(lái)許多新的問題[3]。

GB/T 3362—2017《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》（以下簡(jiǎn)稱“新標(biāo)準(zhǔn)”）于2017年10月14日發(fā)布，2018年9月1日正式實(shí)施，替代了GB/T 3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》（以下簡(jiǎn)稱“舊標(biāo)準(zhǔn)”）。該標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)提出，由全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 39）歸口，規(guī)定了碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法的儀器和設(shè)備、試樣、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算和試驗(yàn)報(bào)告。

2 主要變化

與GB/T 3362—2005舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容變化如下：

2.1 適用范圍

新標(biāo)準(zhǔn)修改了碳纖維復(fù)絲的限定要求，由1K～12K改為1K～24K（見表1）。

碳纖維復(fù)絲每束中所含纖維的根數(shù)是碳纖維的一個(gè)重要指標(biāo)。碳纖維每束有不同的根數(shù)，航空航天大多采用每束不大于24000根（簡(jiǎn)稱24K）的碳纖維，通常稱為“宇航級(jí)碳纖維”或“小絲束碳纖維”。一般工業(yè)較多采用廉價(jià)的每束大于48000根的碳纖維，通常稱為“工業(yè)級(jí)碳纖維”或“大絲束碳纖維”[4]。

2015年之前，國(guó)產(chǎn)PAN基碳纖維基本全是1K～12K碳纖維。隨著國(guó)產(chǎn)PAN基24K碳纖維原絲的研發(fā)成功和產(chǎn)業(yè)化，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)碳纖維24K原絲生產(chǎn)制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。因此，舊標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的碳纖維復(fù)絲限定要求已不能覆蓋國(guó)產(chǎn)PAN基碳纖維的規(guī)格，新標(biāo)準(zhǔn)中將適用范圍調(diào)整為1K～24K。

表1 新舊標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的變化

2.2 儀器和設(shè)備

（1）增加了試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄載荷-位移曲線的要求；

（2）增加了推薦夾具的種類（見表2）。

由于碳纖維試樣重量輕且是脆性材料，建議采用氣動(dòng)夾具，夾持壓力可根據(jù)加強(qiáng)片材質(zhì)設(shè)置。

表2 新舊標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)夾具選用的變化

2.3 試樣加強(qiáng)片

由于碳纖維復(fù)絲具有一定的脆性，直接將試樣夾持到試驗(yàn)機(jī)的夾具上會(huì)導(dǎo)致試樣斷裂在夾具內(nèi)部，從而導(dǎo)致試樣測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)效。因此，對(duì)試樣兩端的夾持段應(yīng)做適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。一般的保護(hù)方法是在試樣的兩端貼加強(qiáng)片。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，加強(qiáng)片的材料可以是牛皮紙、紙板、鋁片等，也可以直接用樹脂澆鑄出來(lái)。

（1）修改了加強(qiáng)片寬度，由20mm改為10mm～20mm（見圖1、圖2試樣形狀及尺寸示意圖）。

圖1 舊標(biāo)準(zhǔn)中試樣形狀及尺寸示意圖

（2）修改了試樣加強(qiáng)片的類型和厚度，刪除了金屬加強(qiáng)片。規(guī)定6K以下碳纖維復(fù)絲試樣用0.2mm～0.5mm厚的紙片或紙板；6 K及以上碳纖維復(fù)絲試樣用0.3mm～1.0mm厚的紙片或紙板；修改了6K及以上碳纖維復(fù)絲試樣加強(qiáng)片的粘貼方法。

圖2 新標(biāo)準(zhǔn)中試樣形狀及尺寸示意圖

作為結(jié)構(gòu)材料使用的纖維種類由1K、3K碳纖維向6K、12K、24K碳纖維發(fā)展，纖維的絲束越大，復(fù)絲試樣的制作就越困難，進(jìn)而影響拉伸性能測(cè)試。加強(qiáng)片選用和粘貼不當(dāng)，容易造成浸膠碳纖維復(fù)絲在拉伸過程中斷裂在加強(qiáng)片內(nèi)或者夾具鉗口處，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。我們通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，按舊標(biāo)準(zhǔn)中的方法制備6K，特別是12K及以上碳纖維試樣時(shí)，由于加強(qiáng)片選用類型及加強(qiáng)片粘貼方式的差異，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)樣給定值往往有一定的差距，不同測(cè)試機(jī)構(gòu)測(cè)試結(jié)果也容易出現(xiàn)差異，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性差，不具備可比性。選用金屬加強(qiáng)片制備的碳纖維試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試時(shí)，在拉伸過程中隨著拉伸強(qiáng)力的增加試樣容易從金屬加強(qiáng)片中滑出，直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，結(jié)合已有試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)6K以上碳纖維試樣的加強(qiáng)片類型及粘貼方式進(jìn)行了明確，以加強(qiáng)片粘貼后絲束平整無(wú)凸起，加強(qiáng)片與絲束粘貼地方無(wú)多余膠珠，加強(qiáng)片粘貼選用膠液固化過程對(duì)浸漬碳纖維復(fù)絲性能無(wú)損傷等原則，以達(dá)到粘貼加強(qiáng)片試樣斷裂規(guī)整的目的，真實(shí)準(zhǔn)確地反映其本身拉伸性能。

2.4 測(cè)試條件

（1）修改了仲裁試驗(yàn)加載速率，由2mm/min改為10mm/min。

拉伸加載速率的變化對(duì)碳纖維的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)基本沒有影響，但會(huì)對(duì)其拉伸模量有很大影響，隨著拉伸速率的提高，碳纖維模量值會(huì)隨之增高。在實(shí)際的測(cè)試過程中，受到試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集能力的限制、測(cè)試效率的影響等，一般來(lái)說10mm/min是比較適宜的速度，因此新標(biāo)準(zhǔn)中仲裁試驗(yàn)加載速度修改為10mm/min。

（2）增加了試驗(yàn)步驟中引伸計(jì)的裝載和卸載。

由于碳纖維材料本身伸長(zhǎng)率低的特點(diǎn)，在復(fù)絲拉伸性能測(cè)試中需使用引伸計(jì)對(duì)碳纖維復(fù)絲拉伸模量進(jìn)行測(cè)試。碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試試樣體積小、重量輕且屬于脆性材料，在使用引伸計(jì)過程中，接觸式卡口極易對(duì)纖維試樣造成損傷，所以新標(biāo)準(zhǔn)中增加了試驗(yàn)步驟中引伸計(jì)的裝載和卸載，減少引伸計(jì)使用過程對(duì)纖維試樣的損傷，以便得到更為準(zhǔn)確的碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試值。

（3）增加了彈性模量測(cè)試時(shí)應(yīng)變?nèi)≈捣秶膶?duì)應(yīng)關(guān)系（見表3）；修改了拉伸彈性模量的計(jì)算公式。

對(duì)于碳纖維復(fù)絲彈性模量測(cè)試時(shí)的問題，美國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料供應(yīng)者協(xié)會(huì)于1990年發(fā)布了SRM16-90碳纖維復(fù)絲拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以應(yīng)力-應(yīng)變曲線上兩個(gè)特殊應(yīng)變點(diǎn)的正割模量來(lái)表示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，ASTM D4018采用了該方法。舊標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定計(jì)算模量的應(yīng)變區(qū)間，導(dǎo)致模量測(cè)試結(jié)果的不確定性，不同測(cè)試機(jī)構(gòu)的模量測(cè)試結(jié)果也存在差異性。新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于模量計(jì)算，增加了彈性模量測(cè)試時(shí)應(yīng)變?nèi)≈捣秶膶?duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)應(yīng)修改了拉伸彈性模量計(jì)算公式，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，增加了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性，以便更準(zhǔn)確地對(duì)碳纖維復(fù)絲拉伸彈性模量進(jìn)行測(cè)試。

表3 彈性模量測(cè)量時(shí)應(yīng)變?nèi)≈捣秶?/p>

（4）修改了斷裂伸長(zhǎng)率的計(jì)算方法。

碳纖維復(fù)絲浸膠固化后脆性大、直徑小，精確測(cè)量其斷裂伸長(zhǎng)率較為困難，舊標(biāo)準(zhǔn)中通常采用橫梁位移測(cè)試得到表觀斷裂伸長(zhǎng)率[6]。橫梁位移測(cè)得的變形量除纖維的變形量外還包含了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的變形量，包括纖維的滑移、夾具和橫梁等的微小變形量，但試樣標(biāo)距是試樣本身的長(zhǎng)度，因此，測(cè)得的表觀斷裂伸長(zhǎng)率比實(shí)際纖維斷裂伸長(zhǎng)率大。考慮到碳纖維是脆性材料，根據(jù)虎克定律，依據(jù)εt=σt/Et的原理，新標(biāo)準(zhǔn)中用直接測(cè)得碳纖維強(qiáng)度與模量的比值推算得到斷裂伸長(zhǎng)率，相對(duì)于舊標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得的表觀斷裂伸長(zhǎng)率更為準(zhǔn)確。

（5）刪去碳纖維復(fù)絲密度的測(cè)試方法，直接應(yīng)用GB/T 30019。

新標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于碳纖維復(fù)絲密度測(cè)試方法，直接引用GB/T 30019《碳纖維 密度的測(cè)定》方法標(biāo)準(zhǔn)，刪除舊標(biāo)準(zhǔn)中的附錄C。GB/T 30019—2013《碳纖維 密度的測(cè)定》[7]標(biāo)準(zhǔn)使用重新起草法修改采用ISO 10119：2002《碳纖維 密度的測(cè)定》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于連續(xù)碳纖維紗和定長(zhǎng)碳纖維紗密度測(cè)試，可滿足碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試中碳纖維密度值的測(cè)試要求。

（6）增加了浸漬膠液可室溫固化的樹脂體系。

新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)樹脂膠液的選擇原則做了規(guī)定：樹脂應(yīng)與碳纖維表面或其表面上漿劑相容性良好，固化后樹脂的斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)大于碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率。同時(shí)，新標(biāo)準(zhǔn)推薦的環(huán)氧樹脂體系在原有三種樹脂體系的基礎(chǔ)上，增加了浸漬膠液可室溫固化樹脂體系，固化后樹脂的斷裂伸長(zhǎng)率為2.6%（典型值）。對(duì)于高強(qiáng)型碳纖維（如T700、T800、T1000等）等斷裂伸長(zhǎng)率大的碳纖維類型，舊標(biāo)準(zhǔn)中推薦的樹脂已不能滿足其拉伸性能測(cè)試的需求，需要選用適宜的斷裂伸長(zhǎng)率更大的高韌性的樹脂體系來(lái)浸膠制樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。同時(shí)，我們通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固化溫度的高低將直接影響碳纖維復(fù)絲最后的固化效果。隨著固化溫度的升高，樹脂膠液與碳纖維之間的界面相容性下降，碳纖維浸膠試樣的拉伸性能隨之下降。因此，常溫固化碳纖維復(fù)絲試樣拉伸強(qiáng)度高于同批試樣高溫固化后試樣的拉伸強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過與舊標(biāo)準(zhǔn)的比較解析，新標(biāo)準(zhǔn)首先在密度測(cè)試方法上引用了現(xiàn)行有效的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)拉伸彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試方法和計(jì)算公式進(jìn)行了修改，對(duì)接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的先進(jìn)性；新標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)6K及以上碳纖維復(fù)絲試樣的加強(qiáng)片類型及粘貼方式進(jìn)行了明確，具有更強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性，提高了測(cè)試準(zhǔn)確度。由于新標(biāo)準(zhǔn)缺少該試驗(yàn)方法的精密度數(shù)據(jù)，建議在今后的工作中增加實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高該檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。我們通過對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較解析，明確了新標(biāo)準(zhǔn)的主要變化，以期正確指導(dǎo)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)及檢測(cè)單位正確使用碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，真實(shí)準(zhǔn)確高效地提供碳纖維復(fù)絲拉伸性能數(shù)據(jù)，促進(jìn)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大碳纖維在下游各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。