浅析碳纤维复合材料压缩强度的影响因素

对于通过长丝缠绕工艺制造的压力容器，拉伸强度和拉伸模量是决定最终产品性能的主要参数。但是，在其他应用中，例如层压板结构中，弯曲应力是最常见的使用应力。在弯曲模式下，无论是 拉伸模式或压缩模式，哪种强度最低均会导致结构破坏，因此压缩强度与拉伸强度一样重要。

由于在压缩应力下纤维会发生屈曲，因此在单丝碳纤维的压缩强度测试时，难度要比拉伸强度困难得多。目前通常采用循环法或反冲试验来测量单丝纤维的压缩强度。目前影响碳纤维增强塑料（CFRP）压缩性能关键因素较多，但主要在于以下几个方面：

1、缺陷结构

压缩强度的主要因素或破坏机理比拉伸强度的更为复杂。但有研究表明，随着碳纤维拉伸强度及压缩强度的提高，碳纤维复合材料的压缩强度也有所提高（如图1所示），因此，缺陷的存在也是影响碳纤维乃至其复合材料压缩强度的重要因素。

图1 CFRP压缩强度与碳纤维压缩强度关系

2、微晶尺寸

影响单丝纤维压缩强度的另一个重要因素是微晶尺寸。 一般大尺寸的微晶晶粒倾向于在压缩应力下剪切破坏， 沥青基碳纤维的微晶尺寸通常为10 nm甚至更大，而 PAN基碳纤维的微晶尺寸在1-5 nm范围内，因此 大尺寸的微晶晶粒致使 沥青基碳纤维的压缩强度远低于PAN基碳纤维 。

而即使同样基于PAN基碳纤维中，由于高模量碳纤维比中模或标准模量碳纤维 具有较大微晶尺寸的，因此高模量碳纤维的压缩强度也相对较低。

3、CFRP中纤维弯曲

影响CFRP压缩强度的另一个因素是纤维弯曲，即使碳纤维的压缩强度很高，CFRP的压缩强度也可能会受到限制。这是由于碳纤维会在CFRP中发生屈曲所致，这不是碳纤维排列的问题，而是基体树脂对碳纤维的支撑。如图2所示，降低测试温度会增加CFRP的抗弯强度，并且破坏模式会从压缩模式变为弯曲或拉伸模式破坏。 尽管材料和取向在所有测试温度下都完全相同，但由于在较低的温度下具有较高的压缩强度，同时在较硬的树脂中具有较高的支撑强度。

图2 试验温度对CFRP抗弯强度及其破坏模式的影响

综上所述，标准模量和中等模量碳纤维增强复合材料的压缩强度主要是纤维屈曲，且其由基体树脂的刚性决定。而在高模量碳纤维复合材料中，影响压缩强度的主要因素是高模碳纤维的压缩强度，而这又主要取决于纤维本身的微晶尺寸。因此，减小晶粒尺寸并保持晶粒取向是提高高模碳纤维压缩强度的有效途径。比如，离子注入在提高高模碳纤维的压缩强度方面是有效的，但这种方法还不适用于大规模生产。