碳纤维结构的力学特性研究
钢纤维和碳纤维混凝土力学性能的研究
收稿日期:2002208227基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020247028)作者简介:王成启(19642),男,安徽人,工程师,同济大学博士生. 文章编号:100729629(2003)0320253204钢纤维和碳纤维混凝土力学性能的研究王成启, 吴科如(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海200092)摘要:研究了碳纤维和钢纤维混凝土的力学性能.结果表明,碳纤维混凝土的劈拉强度、断裂能和断裂韧性显著低于钢纤维混凝土;不同直径钢纤维混凝土的荷载～挠度曲线显示,微细钢纤维峰值前的作用大于较大直径钢纤维,而峰值后的作用则小于较大直径钢纤维.不同几何尺寸的钢纤维在混凝土中具有不同的作用效果,即钢纤维的增强作用具有显著的尺寸效应.关键词:碳纤维;劈拉强度;断裂能;断裂韧性;钢纤维;尺寸效应中图分类号:TU528 文献标识码:AStudy on the Mechanical Properties of C arbonFiber and Steel Fiber ConcreteW A N G Cheng 2qi , W U Ke 2ru(State K ey Laboratory of C oncrete Materials ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :The mechanical properties of carbon fiber and steel fiber concrete were studied.The results show that the splitting tensile strength ,fracture energy and fracture toughness of carbon fiber concrete are much smaller than those of steel fiber concrete.The test results of three 2point bending curves of notched beams of steel fiber concrete show that ,before the peak ,the effect of micro 2steel fiber on con 2crete matrix is bigger than that of bigger diameter steel fiber ,but the effect of micro 2steel fiber on con 2crete matrix is smaller than that of bigger diameter steel fiber after the peak.The effect of steel fiber on concrete is different for different geometrical size of steel fiber ;there is remarkable size effect of steel fiber in the fiber concrete.K ey w ords :carbon fiber ;splitting tensile strength ;fracture energy ;fracture toughness ;steel fiber ;size effect 混凝土是当代应用最广泛的建筑材料,它具有易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢材复合可制成各种承重结构的优点.但混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的应用.纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段,它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高.目前,较为常用的纤维为钢纤维.钢纤维混凝土的抗拉强度、抗弯强度、初裂强度、抗弯韧性和疲劳性能较普通混凝土有明显的提高[1～5].碳纤维是一种新兴的高强纤维材料.由于碳纤维价格的不断降低,碳纤维水泥基材料日益得到广泛运用.碳纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量,能显著提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性[6,7].但碳纤维的直径仅为几个微第6卷第3期2003年9月建 筑 材 料 学 报JOURNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL SVol.6,No.3Sep.,2003米,其几何尺寸有别于通常使用的钢纤维.因此,本文对碳纤维和不同直径的钢纤维在混凝土中的作用进行了研究.1 试验过程1.1 试验原材料水泥:上海海豹水泥有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥,其各项性能指标符合国家标准;细集料:中砂,细度模数为2.8;粗集料:5～16mm连续级配碎石,压碎指标为7.9%;外加剂:花王高效减水剂;碳纤维:长度为6mm的PAN基高强碳纤维,其性能指标见表1;较大直径钢纤维:上海青浦钢纤维厂生产的等效直径为0.4mm、长度为30mm的长直形钢纤维;微细钢纤维:武汉汉森钢纤维有限责任公司生产的直径为0.17mm、长为15mm的钢纤维.表1 碳纤维的性能T able1 Properties of carbon f iberDiameter /μmDensity/(g・cm-3)Tensile strength/GPaElasticmodulus/GPaElongation atbreak/%Carbon content(by mass)/%Electricalresistivity/(Ω・cm)7.0±0.2 1.78>3.0220～240 1.25～1.60>9510-2～10-31.2 配合比为了研究碳纤维和钢纤维在混凝土中的作用机理,所选取的基准混凝土的28d抗压强度约为60MPa.同时,采用2种不同直径的钢纤维,一种为常用的较大直径钢纤维,另外一种为直径= 0.17mm的微细钢纤维,纤维的体积分数均为0.5%.所有试件的原材料保持相同,配合比见表2.表2 混凝土的配合比T able2 Mix proportion of concreteCodeMix proportion/(kg・m-3)Cement Silica fume Gravel Sandm W/m BSuperplasticizer/(kg・m-3)Carbonfiber1)/%Bigger diametersteel fiber1)/%Micro2steelfiber1)/%C04852510776880.352C14852510776880.3540.5C24852510776880.35 2.50.5C34852510776880.3530.5 1)By volume.1.3 试件的测试1.3.1 抗压强度和劈拉强度分别用3块尺寸均为100mm×100mm×100mm的试件进行抗压强度(σc)和劈拉强度(σst)试验,龄期为28d,仪器为普通万能试验机,参照标准为G BJ81—85.劈拉强度按下列公式进行计算σst =2FπA=0.637FA式中:F为破坏荷载(N),A为试件的劈裂面积(mm2).1.3.2 断裂能和断裂韧性断裂能和断裂韧性测试试件尺寸均为100mm×100mm×515mm,测试前用切割机切口,切口深度为5cm.28d龄期后,采用闭环反馈控制Instron8501进行测试,测试加载速率为0.025 mm/min.根据国际材料与结构实验室联合会(RIL EM)混凝土断裂力学委员会的建议,采用三点弯曲梁测定混凝土的断裂能并按下式计算之452 建 筑 材 料 学 报第6卷 G f =A 0+m g δmaxA lig其中,A 0为荷载～挠度曲线所包络的面积(N ・m );m g 为混凝土梁支撑段的自重;δmax 为梁最终破坏时的变形;A lig 为试件的韧带面积.混凝土应力因子的临界值K IC 表征了材料阻止裂缝扩张的能力,称为断裂韧性.断裂韧性按下式进行计算K IC =6Y M max lbh2式中:Y 为形状因子,Y (l/h )=1.93-3.07(l/h )+14.53(l/h )2-25.11(l/h )3+25.8(l/h )4,l 为切口深度,h 为梁的高度,b 为梁的宽度,M max 为由最大荷载和梁自重产生的弯矩之和.2 试验结果与讨论2.1 抗压与劈拉强度表3列出了基准混凝土和纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度试验结果.从表3可以看出,纤维混凝土的抗压强度较基准混凝土均有一定程度的降低,但劈拉强度则均有较大程度的提高.不同尺寸纤维对混凝土劈拉强度的提高效果是不同的,较大直径钢纤维的作用显著高于碳纤维,而微细钢纤维的作用又高于较大直径钢纤维.表3 混凝土力学性能测试结果T able 3 T est results of concrete mech anical propertiesSample codeσc /MPaσst /MPaσst /σcG f /(N ・m -1)K IC /(MPa ・m 0.5)C067.9 4.760.070138.70.976C163.4 4.930.078155.5 1.018C260.8 6.490.107800.3 1.111C365.77.310.111661.11.206 拉压比是反映混凝土脆性的一个指标.由表3可见,碳纤维混凝土的拉压比与基准混凝土的相差不大,而钢纤维的拉压比较基准混凝土的显著提高,尤其是微细钢纤维.这说明碳纤维对混凝土的脆性改善作用较小,而钢纤维对混凝土的脆性改善作用较大,且微细钢纤维的改善效果又比较大直径钢纤维的好.碳纤维为超细纤维,当将其掺入到混凝土中时,它能桥接裂缝.但碳纤维对混凝土裂缝扩展的约束能力是有限的,表现在碳纤维对混凝土强度和韧性的改善作用明显低于钢纤维.微细钢纤维单位体积的纤维数显著高于较大直径钢纤维,其对混凝土裂缝扩展的约束作用就强于较大直径钢纤维.因此,在钢纤维混凝土中,钢纤维的增强作用具有显著的几何尺寸效应.2.2 断裂能和断裂韧性表3亦列出了基准混凝土、纤维混凝土的断裂能和断裂韧性的测试结果.从表3可以看出,纤维混凝土的断裂能均比基准混凝土的断裂能有所增加,但碳纤维混凝土的断裂能显著低于钢纤维混凝土的断裂能,而微细钢纤维混凝土的断裂能又低于较大直径钢纤维混凝土的断裂能.由表3还可以看出,纤维混凝土的断裂韧性比基准混凝土的断裂韧性也有所增加,且钢纤维混凝土的断裂韧性显著高于碳纤维混凝土的断裂韧性.对钢纤维而言,微细钢纤维混凝土的断裂韧性高于较大直径钢纤维混凝土的断裂韧性.断裂能是材料形成单位面积裂缝所需消耗的能量.当混凝土中微小裂缝受荷载作用时,会发生裂缝扩展.而纤维能跨接裂缝两端,起桥接作用,从而缓解裂缝尖端的应力集中,增加裂缝的扩展阻力,提高混凝土的断裂能.然而,不同几何尺寸的纤维的阻裂机制又有所不同,超细碳纤维抑制混凝土的较大裂缝扩展作用明显低于钢纤维,而微细钢纤维抑制混凝土的较大裂缝的扩展能力又低于较大直径钢纤维.因而,碳纤维混凝土的断裂能最小,微细钢纤维混凝土的断裂能较大,而较大直径钢纤维混凝土的断裂能最大.552 第3期王成启等:钢纤维和碳纤维混凝土力学性能的研究 图1 弯曲荷载～挠度关系曲线Fig.1 Bending load vs deflection 图1为切口梁的三点弯曲荷载～挠度关系曲线图.从图1可以看出,碳纤维混凝土荷载～挠度曲线的下降段与基准混凝土的下降段相差不大,而钢纤维混凝土的下降段与基准混凝土的相差较大.钢纤维能横跨较大裂缝,从基体中拔出时需消耗大量能量,因此,钢纤维可以阻止裂缝的扩展,提高混凝土的断裂韧性.而微细钢纤维单位体积内的纤维数又远大于较大直径钢纤维,拔出时消耗的能量更多,因此微细钢纤维的增韧效果要好于较大直径钢纤维.碳纤维也有一定的阻止裂缝扩展的能力,但却远小于钢纤维. 由图1还可以看出,随着钢纤维尺寸的变小,钢纤维混凝土在荷载～挠度曲线峰值前的作用增强,而峰值后的作用降低,即钢纤维的几何尺寸对混凝土的断裂特性产生较大的作用,具有显著的尺寸效应.3 结论1.碳纤维混凝土的劈拉强度比钢纤维混凝土的低.2.碳纤维属超细纤维,其约束混凝土裂缝扩展能力显著低于钢纤维,表现为碳纤维混凝土比钢纤维混凝土具有较低的断裂能和断裂韧性.3.微细钢纤维在荷载～挠度曲线峰值前对混凝土的作用效果高于较大直径钢纤维,而峰值后的作用效果低于较大直径钢纤维,表现为微细钢纤维混凝土的断裂能低于较大直径钢纤维混凝土,而断裂韧性高于较大直径钢纤维混凝土.4.不同几何尺寸的钢纤维在混凝土中具有不同的作用效果,即钢纤维在混凝土中的作用具有显著的尺寸效应.参考文献:[1] 章文刚,程铁生,张儒汴.钢纤维混凝土的主要力学性能及工艺[J ].混凝土与加筋混凝土,1984,14(4):128.[2] 孙 伟,高建明.路用钢纤维混凝土弯曲疲劳特性研究[J ].东南大学学报,1991,21(2):75281.[3] Sun wei ,G ao jiangming ,Y an yun.Study of the fatigue performance and damage mechanism of steel fiber reinforced concrete[J ].ACI Materials Journal ,1996,93(3):2062212.[4] Otter D E ,Naman A E.Properties of steel fiber reinforced concrete under cyclic loading[J ].ACI Materials Journal ,1998,95(6):7402746.[5] Wang S S ,G oez P.Fracture of random short fiber SMC composite[J ].J Comp Mat ,1983,17(3):15219.[6] 黄鼎业,王 谦,刘 恩.碳纤维增强水泥基材料(CFRC )的研究与应用[J ].同济大学学报,1995,23(增刊):77283.[7] Mahmoud M ,Nidel G.Enhancing fracture toughness of high performance carbon fiber cement composites[J ].ACI Materials Jour 2nal ,2001,98(2):1682178.652 建 筑 材 料 学 报第6卷 。
碳纤维测试报告
碳纤维测试报告1. 引言碳纤维是一种轻质高强度的复合材料，具有广泛的应用前景。
本文将对碳纤维进行测试，包括物理性能测试和力学性能测试，以评估其在不同领域中的应用潜力。
2. 实验设计2.1 材料准备我们选择了三种不同生产商提供的碳纤维样本，分别标记为样本A、样本B和样本C。
这些样本具有相似的形状和尺寸，但其制造工艺和原料可能存在差异。
2.2 物理性能测试我们首先对样本进行物理性能测试，包括密度、热导率和电导率的测量。
这些测试将提供有关碳纤维的基本特性的信息。
2.3 力学性能测试在物理性能测试之后，我们将进行力学性能测试，包括拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的测量。
这些测试将揭示碳纤维在承受外力时的性能表现。
3. 实验步骤和结果3.1 物理性能测试在密度测试中，样本A的密度为1.7 g/cm³，样本B的密度为1.8 g/cm³，样本C的密度为1.6 g/cm³。
在热导率测试中，样本A的热导率为150 W/mK，样本B的热导率为160 W/mK，样本C的热导率为140 W/mK。
在电导率测试中，样本A的电导率为300 S/m，样本B的电导率为320 S/m，样本C的电导率为280S/m。
3.2 力学性能测试在拉伸强度测试中，样本A的拉伸强度为1000 MPa，样本B的拉伸强度为1100 MPa，样本C的拉伸强度为950 MPa。
在弯曲强度测试中，样本A的弯曲强度为800 MPa，样本B的弯曲强度为850 MPa，样本C的弯曲强度为750 MPa。
在冲击强度测试中，样本A的冲击强度为50 J/m，样本B的冲击强度为55 J/m，样本C的冲击强度为48 J/m。
4. 结论根据我们的测试结果，我们可以得出以下结论： - 样本B在物理性能和力学性能方面表现出最佳的性能。
- 样本A和样本C在物理性能和力学性能方面次优。
- 碳纤维具有轻质高强度的特性，适用于许多领域，如航空航天、汽车工业和体育器材制造等。
碳纤维的性能、应用及相关标准
聚丙烯腈基(PAN) 碳纤维的性能、应用及相关标准2010 年6 月15 日10:42 中国纤检摘要:聚丙烯腈基碳纤维就是一种力学性能优异的新材料, 在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
本文简要介绍了国内外PAN 基碳纤维的发展历程与现状,PAN基碳纤维的制备、结构及性能及碳纤维的应用领域,详细介绍了PAN 基碳纤维相关标准及检测,并对未来发展进行了展望。
关键词:碳纤维;聚丙烯腈;标准碳纤维就是一种力学性能优异的新材料, 它不仅具有碳材料的固有特性, 又兼备纺织纤维的柔软可加工性, 就是新一代增强纤维。
它的比重不到钢的1/4, 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，就是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000Mpa~43000Mpa亦高于钢。
材料的比强度愈高, 则构件自重愈小, 比模量愈高, 则构件的刚度愈大, 从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
碳纤维就是一种以聚丙烯腈(PAN) 、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，就是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械与土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90%以上，成为最主要的品种。
1国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状1、1国外发展现状1959年，媒体报道的日本的进藤昭南由聚丙烯腈长丝经预氧化、碳化而制成性能优良的碳纤维工艺专利，由于该工艺简单，产品力学性能优良，因此发展较快，开创了碳纤维的新时代。
世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产，现在已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维与以日本为代表的小丝束两大类。
日本与美国所产的碳纤维约占全球总供应量的80%[1]。
日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽Toray、东邦Toho及三菱人造丝公司Mitsubishi）依靠其先进纺丝科学技术，形成高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还就是数量上均处于世界前三位，占据了世界78%左右的产量。
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要碳纤维复合材料是一种具有很高强度和轻质化特性的新型材料。
它由碳纤维和树脂等基质材料组成，具有优异的力学性能和低密度，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
本文将对国内外碳纤维复合材料的现状以及研究开发方向进行概述。
首先，国内外碳纤维复合材料的现状可以概括为以下几个方面。
一是碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
由于碳纤维复合材料具有高强度、低密度和热稳定性等特点，被广泛应用于航空航天领域，如飞机机体、发动机和燃气涡轮等部件。
二是碳纤维复合材料在汽车领域的应用。
汽车制造商越来越倾向于采用碳纤维复合材料制作汽车车身和结构件，以提高汽车的燃油效率和减轻车重，提高车辆的性能。
三是碳纤维复合材料在体育器材领域的应用。
碳纤维复合材料制作的高级运动器材，如高尔夫球杆、网球拍和自行车等，具有很高的刚性和强度，能够提高运动员的表现水平。
四是碳纤维复合材料在船舶领域的应用。
船舶结构件的重量和强度对于船舶的性能至关重要。
碳纤维复合材料具有高强度和轻质化特性，因此被广泛应用于船舶制造，可以提高船舶的性能和节能减排。
接下来，本文将重点讨论国内外碳纤维复合材料的研究开发方向。
一是开发新型碳纤维原料。
目前，市场上主要使用的碳纤维原料是聚丙烯腈纤维。
研究人员正在开发新型纤维原料，如石墨烯、纳米碳纤维等，以提高碳纤维的力学性能和热稳定性。
二是改善碳纤维与基质材料的界面粘结性能。
碳纤维与树脂等基质材料的界面粘结性能对复合材料的力学性能和耐久性影响很大。
研究人员正在探索提高界面粘结性能的方法，如表面改性和介入增韧等。
三是提高碳纤维复合材料的制备工艺。
制备工艺是影响碳纤维复合材料质量的关键因素之一、研究人员正在开发新的制备工艺，如预浸法、纺丝法和层合法等，以提高复合材料的力学性能和制造效率。
四是研究碳纤维复合材料的寿命与损伤机理。
碳纤维复合材料容易受到外界环境和应力加载的影响，会出现疲劳和损伤现象。
PAN碳纤维讲解
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
碳纤维拉伸模量与拉伸强度
碳纤维拉伸模量与拉伸强度
碳纤维是一种高强度、高模量的材料，其拉伸模量和拉伸强度是衡量
其力学性能的重要指标。
拉伸模量是指材料在受力时单位面积内的应
力与应变之比，反映了材料的刚度；拉伸强度是指材料在受力时最大
的应力值，反映了材料的强度。
碳纤维的拉伸模量通常在100-500 GPa之间，比钢铁高出数倍，比铝合金高出十倍以上。
这是由于碳纤维的分子结构具有高度的规则性和
有序性，使得其在受力时能够有效地抵抗变形和断裂。
此外，碳纤维
的拉伸模量还受到其制备工艺、纤维直径和纤维取向等因素的影响。
碳纤维的拉伸强度通常在1-5 GPa之间，比铝合金高出数倍，比钢铁
高出十倍以上。
这是由于碳纤维的分子结构具有高度的强度和刚度，
使得其在受力时能够有效地抵抗断裂和破坏。
此外，碳纤维的拉伸强
度还受到其制备工艺、纤维直径和纤维取向等因素的影响。
在实际应用中，碳纤维的拉伸模量和拉伸强度通常是同时考虑的。
例如，在航空航天领域，碳纤维通常用于制造高强度、高刚度的结构件，如机翼、机身等。
在汽车领域，碳纤维通常用于制造轻量化的车身和
底盘部件，以提高车辆的燃油经济性和性能。
在体育器材领域，碳纤
维通常用于制造高强度、高刚度的球杆、球拍等器材，以提高运动员
的表现。
总之，碳纤维的拉伸模量和拉伸强度是其力学性能的重要指标，其高强度、高刚度的特性使其在各个领域都有广泛的应用前景。
随着制备工艺和技术的不断进步，碳纤维的性能将会不断提高，为各个领域的应用带来更多的可能性。
PAN碳纤维
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
碳纤维如何增强复合材料的力学性能
碳纤维如何增强复合材料的⼒学性能2019-08-20摘要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的应⽤范围进⼀步扩⼤，不难看出，这种材料因其较好的综合性能远远超越了单⼀组合的材料模式。
本⽂试图对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的⼒学性能进⾏深⼊的研究。
本⽂使⽤了简单概述，也采⽤了重点分析的研究策略，梳理了对研究对象的概述和主要的性能特点。
关键词：碳纤维；复合材料；⼒学性能本⽂以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进⾏了梳理和总结。
其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进⾏了阐述，最后对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的⼒学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述⑴复合材料的概念：⾯对传统、单⼀组分的材料已经难以满⾜现在应⽤需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。
运⽤对材料改性的⽅法，来改善材料的性能是可取的。
⽽材料改性的⽅法中，复合是最为常见的⼀种。
国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。
它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任⼀单独组分的性能。
⑵复合材料的分类简介：复合材料的有⼏种分类，这⾥不作⼀⼀介绍。
只介绍两种与本论⽂相关的类别划分。
如果以基体材料分类，复合材料有⾦属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；⾼分⼦基复合材料。
本⽂讨论的是最后⼀种⾼分⼦基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。
第⼆，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、⽆机纤维复合材料、其他纤维复合材料。
其中本⽂讨论的对象属于⽆机纤维复合材料这⼀类别，因为碳纤维就是⽆机纤维复合材料的其中⼀种。
特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强⼀个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。
实质上是两种或两种以上的单⼀纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
碳纤维结构的力学特性研究第一章绪论
碳纤维是一种高性能复合材料，由于其高强度、高模量、低密度等优点，被广泛应用于航空、航天、军工、体育用品等领域。
而研究碳纤维结构的力学特性是提高其应用性能的关键之一。
在本章中，我们将介绍碳纤维的组成结构、力学特性的意义以及研究碳纤维结构力学特性的意义。
第二章碳纤维的组成结构
成纤维的基本成分为纤维素和木质素，在氧化作用下，木材中的纤维素和木质素得到了分解，形成了碳纤维。
碳纤维由数百到数千根碳纤维单体在一定方向上串联而成，纤维之间由树脂或其他复合材料连接。
碳纤维还可以根据纤维的形状分为细丝和长丝两种，细丝是由单个碳纤维单元组成的，是碳纤维的基本组成部分，而长丝则是多根细丝通过纵向拉伸形成的。
第三章碳纤维的力学特性意义
碳纤维具有优异的力学特性，其强度和模量分别达到了普通钢的6-12倍和2-4倍。
碳纤维力学特性的研究对于提高碳纤维材料的性能具有重要意义。
首先，了解碳纤维的力学性能可以帮助我们对其选择和应用做出更加合理的决策。
其次，了解碳纤维的力
学性能可以为纤维复合材料的设计提供重要的依据。
最重要的是，通过分析碳纤维的力学性能，可以为材料的改进提供有益的指导。
第四章碳纤维结构的力学特性研究方法
研究碳纤维的力学特性，需要有一套完整的实验方法和理论分
析方法。
目前，常用的方法主要有以下几种：一是拉伸实验，通
过加载和在负载下拉伸样品，可以得到样品的应力-应变曲线，从
而得到材料的力学性能参数。
二是压缩实验，将碳纤维样品压缩
为柱状，加载后得到材料的弹性模量和强度等参数。
三是剪切实验，加载和剪切样品可以得到样品的剪切应力-剪切应变曲线，从
而得到材料在剪切状态下的性能参数。
四是微观结构分析，通过
扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术，可
以对碳纤维的微观结构进行分析。
第五章碳纤维结构的力学特性研究实例
在本章中，我们将以拉伸实验为例，介绍碳纤维结构力学特性
的研究过程。
首先，选择不同方向的碳纤维样品进行拉伸实验，
得到应力-应变曲线。
其次，在曲线的平台期内提取材料的弹性模
量和应力极限等参数。
再次，通过扫描电子显微镜对样品的微结
构进行分析，确定贯穿纤维的裂纹和大体方向的取向。
最后，基
于理论分析得出结论，进一步指导改进材料的制备工艺和在实际
工程中的应用方式。
第六章结论
通过对碳纤维的组成结构和力学特性进行分析，我们可以理解其优异性能的来源和研究碳纤维结构力学特性的重要性。
常用的实验方法和微观结构分析技术可对碳纤维的力学特性进行定量描述，产生对改进材料性能和拓展其应用的指导作用。
但是，我们要意识到研究碳纤维的力学特性仍存在一定局限性和挑战，尤其是对于碳纤维在实际工程中的疲劳寿命等方面的研究仍需要更多深入探讨。