各向异性材料的挑战：碳纤维应用与关键力学性能评估

碳纤维材料的应用

碳纤维是一种含碳量超过90%的高强度、高模量纤维材料，以其“轻如羽毛，坚如钢铁"的特性著称。其应用已从早期的航空航天领域迅速扩展到国民经济的各个角落。

1. 航空航天

飞机：大量用于机翼、机身、尾翼、整流罩等主承力和次承力结构件（如波音787、空客A350的复合材料用量超过50%）。能有效减轻重量，降低油耗。

航天器：用于火箭发动机壳体、卫星支架、太阳能电池板等，减轻发射重量至关重要。

无人机：主流无人机的机身结构几乎全部采用碳纤维复合材料，以实现高推重比和长航时。

2. 体育休闲用品（最普及的领域）

器材：高档自行车车架、网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼竿、赛艇、帆板、F1赛车等。目标是减轻重量并提升刚性和强度。

3. 汽车工业（快速增长领域）

高性能/赛车：用于车身面板、底盘、传动轴、内饰等，以实现轻量化、提升加速和操控性能。

新能源车：对于电动汽车，轻量化能直接提升续航里程，因此电池盒、车身结构件应用日益增多。

4. 新能源与工业领域

风电：制造超大型风机叶片，要求材料具有高比强度、高疲劳寿命以承受复杂载荷。

压力容器：用于存储氢气和天然气的高压气瓶（Type III, Type IV），重量轻且安全性高。

基础设施：用于建筑结构的加固补强（替代钢筋），以及桥梁、海港的修复。

5. 其他高科技领域

医疗器械：X光透视床板、假肢、骨科植入物、轮椅等，利用其高强度和X光透过性。

电子产品：笔记本电脑外壳、手机中框、无人机机身，兼顾轻薄、坚固和散热。

碳纤维材料的力学测试方法

碳纤维材料通常以复合材料的形式使用，碳纤维增强树脂基复合材料。其力学测试需针对复合材料的各向异性特点（不同方向性能不同）进行。

核心测试标准

国际上广泛遵循美国材料与试验协会标准（ASTM）和国际标准化组织标准（ISO）。

ASTM D3039：聚合物基复合材料拉伸性能试验。

ASTM D6641：复合材料压缩性能试验。

ASTM D7264：复合材料弯曲性能试验。

ASTM D2344：复合材料短梁强度试验（层间剪切强度）。

ISO 527-4/5：塑料拉伸性能测试（针对复合材料部分）。

主要力学性能测试项目与方法

1. 拉伸测试

目的：测定拉伸强度、拉伸模量、泊松比和断裂应变。

方法：使用哑铃型或矩形平直试样，两端用专用夹具（如楔形夹、液压夹）夹紧，在万能试验机上进行单向拉伸。通常需粘贴应变片或使用引伸计测量变形。

关键点：需测试0°（纤维方向） 和90°（垂直纤维方向） 以获取不同方向的性能。

2. 压缩测试

目的：测定压缩强度和模量。

方法：比拉伸测试更复杂，因为容易发生失稳（屈曲）。常用方法有：

夹具支持法（ASTM D6641）：使用专用的防屈曲夹具支撑试样大部分区域，只留一段工作区域受压。

Celanese/ Illinois Institute of Technology Research Institute 方法：使用特定形状的夹具。

3. 弯曲测试（三点/四点弯曲）

目的：测定弯曲强度、弯曲模量。这是一种简单的质量控制和筛选测试，综合反映了材料的拉伸、压缩和剪切性能。

方法：将矩形梁试样置于两个支撑辊上，中间一个或两个加载辊向下施压。通过载荷-位移曲线计算性能。

4. 层间剪切强度测试

目的：评估纤维与树脂基体之间的界面结合强度，这是复合材料的关键弱项。

方法：

短梁剪切（ASTM D2344）：使用小跨厚比的试样进行三点弯曲，使其优先发生层间剪切破坏。

双缺口剪切：在试样中间段加工两个对称缺口，引导剪切破坏发生在层间平面。

5. 疲劳测试

目的：评估在循环载荷下的性能退化，测定S-N曲线（应力-寿命曲线）。

方法：在疲劳试验机上对试样施加交变的拉伸-压缩或拉伸-拉伸载荷，记录直至失效的循环次数。

测试关键注意事项

1. 取样方向：必须明确并记录纤维铺层方向和测试方向（0°， 90°， ±45°等）。

2. 试样制备：切割质量至关重要，需使用金刚石砂轮或水刀切割，避免边缘分层和应力集中。

3. 应变测量：优先使用应变片，它比引伸计能更直接、更精确地测量局部应变，尤其是模量计算。

4. 数据记录：需要记录完整的载荷-位移或应力-应变曲线。曲线形状能揭示材料的损伤演化过程。

5. 失效模式分析：测试后必须观察和记录试样断口形貌（如纤维断裂、分层、基体开裂等），这对于失效分析和材料改进至关重要。

总结

碳纤维复合材料的应用正不断向更广、更深的领域拓展。而其力学性能测试是一套严谨的科学体系，需要根据材料的使用场景和受力状态，选择合适的测试标准和方法，并特别注意其各向异性的特点。精确的测试数据是进行安全设计、质量控制和材料研发的基石。