论文部分内容阅读
炭纤维具有优异的力学性能和导热性能,是先进复合材料最重要的增强体,已在国防军工和民用工业等众多领域得到广泛应用。准确地表征高性能炭纤维的力学性能及导热性能对于开展高性能炭纤维的制备及其应用研究具有十分重要的指导作用。本文以高性能炭纤维为研究对象,通过单丝及复丝拉伸测试法对其力学性能进行测试,采用间接测试法和激光闪射法对其单丝和复丝的热导率进行测试。测得T700、M55J和XN-90炭纤维单丝的拉伸强度分别为4.7、4.41和3.52GPa,与厂商报道值较为接近。采用韦伯分布理论对单丝强度进行拟合得到,对于T700和M55J炭纤维强度越大韦伯模数m越小,离散越大;高性能沥青基炭纤维XN-90由于模量高,脆性大,易损伤,m值最小,离散最大。炭纤维单丝的应力应变曲线呈现非线性关系,T700的模量随着应变的增加先增大,后平缓,选取全应变区间算得模量值为227.52GPa,最接近其报道值。M55J和XN-90的模量随应变的增加先增大然后趋于平缓,最后略有减小,由于模量太高使用机器测得应变值误差较大得到模量值与报道值偏差较大。采用环氧E54树脂制备胶液,测得T700复丝试样强度为4.98GPa,由于M55J和K13D2U纤维表面活性官能团较少需添加助剂改善其与树脂结合性能,改善后测得强度分别为3.95GPa和3.68GPa。炭纤维复丝试样应变区间的选择会影响其模量值,对于T700和M55J两种中高模量纤维应变区间选择0.1%～0.3%时得到的模量最为接近其报道值,对于超高模量纤维K13D2U应变区间选取为0.1%～0.2%时模量最为接近其报道值。对于超高导热炭纤维K1100、K13D2U和K13C2U使用公式λ=1261/ρ算得单丝热导率值与厂商报道值最为吻合;对于高导热炭纤维XN-90使用公式λ=440000/(100ρ+258)-295算得单丝热导率值与厂商报道值最为吻合;对于一般导热炭纤维P55和P25使用公式λ=1261/ρ算得单丝热导率值与厂商报道值最为吻合。对测得的炭纤维单丝电阻率与热导率值进行拟合得到热导率与电阻率的关系式λ=152740/(100ρ+22)-26,相关系数R=0.9964,用其算得实验室自制HNU炭纤维的热导率为 949W/(m·K)。通过激光闪射仪测得T700、M55J和HNU纯炭纤维试样纤维的热导率分别为10.16、93.47和719.99 W/(m·K)。由于制样方法的原因导致试样的上表面和下表面存在大量的炭纤维碎屑在测试过程中热量会沿纤维碎屑在表面传递,从而测得热导率偏低。对于炭纤维复合材料试样由于纤维体积含量较低测得纤维热导率值存在较大偏差,提高纤维体积含量但纤维在试样中分布不均不适用于混合法则,测得纤维热导率值偏差较大。