（1：蘇州經貿職業技術學院，蘇州215001 2：曲阜師范大學自動化系）

摘要：本文主要以一種鍍復碳纖維進行的強力伸長測試實驗，論述了碳纖維強力伸長的測試方法和測試要求，以期幫助相關人員找到實用的碳纖維拉伸性能的檢測方法。

關鍵詞：碳纖維 強力 拉伸 測試

1 引言

碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度是鋼的7~4倍。碳纖維主要有兩種生產方式，一種是以聚丙烯腈為原料的PAN基體碳纖維，另一種是瀝青基的碳纖維。由于原料、模量、強度和最后的熱處理溫度不同，產生了特性不同的纖維，前者硬而脆的常用于復合材料，軟而柔順的常用于紡織；后者多被用于工程用料。

由于碳纖維技術的發展、成本的降低和產品產量的增加，除了在航空航天以及體育用品應用外,還廣泛應用于建筑、運輸、能源等領域；碳復合材料既可以作為結構材料承載重荷又可以作為功能材料發揮作用，已經成為某些制品的首選材料。碳纖維的碳化溫度1000℃～2000℃，高溫段產生高模量纖維，中溫段產生高強度纖維，低溫段生產低模量、低強度纖維；碳纖維具有一定的導電性能。碳纖維織物的外觀類似于著色絲綢，但是其抗拉、剪切強度是相當優秀的。當然，研究碳纖維織物強度還要從其單纖維開始。目前，日本在碳纖維的研究比較前沿、標準完善，例如：JISK 1474活性碳試驗方法、JIS R 7601 碳纖維試驗方法、JIS K 1477纖維狀活性碳試驗方法；國際標準也有ISO 11566 碳纖維單纖試樣拉伸性能的測定。由于碳纖維的特殊性能，碳纖維強力拉伸性能測試比較困難，本文參照了這些標準進行了測試研究。碳纖維的拉伸性能測試分單絲法和復絲法。碳纖維分離成為單纖維以后非常脆弱，剪切強度很低，稍有不慎就會斷裂，因此在每次試驗過程中，需要細心、耐心，不要對試樣造成損傷。單纖維強伸性能試驗通常采用紙框法固定試樣，當然也不排除其他方法。

2 測試材料與儀器

以丙烯腈為原料的PAN基體的鍍復碳纖維，取樣盤，LLY-06型碳纖維強力機。

3 測試方法

3.1測試標準

國家碳纖維單根纖維拉伸性能測試標準尚未發布；國外采用標準：ISO11566 《碳纖維單纖試樣拉伸性能的測定》、JIS R 7601《碳纖維試驗方法》、JIS K1477《纖維狀活性炭試驗方法》，主要指標如下：

日本標準（JIS）的拉伸隔距10mm，拉伸速度0.5mm～10mm，采用襯紙固定試樣，圖示如下。

國際標準（ISO）的拉伸隔距25mm，拉伸速度1mm～5mm，采用襯紙固定試樣，圖示如下。

鑒于試樣的難以測試，國外標準固定試樣都有一個共同點：將單根碳纖維用松香或其它粘合劑固定在襯紙上。本試驗參照國外標準的基礎上進行綜合形成。調濕和試驗用標準大氣按GB 6524執行：溫度為（20±2）℃,相對濕度（65±3）%。

3.2 測試過程

3.2.1測試材料與制備

剪取適當長度的該碳纖維試驗樣品,用鋼針沿著纖維方向將其分離，使試驗樣品蓬松便于抽取。用取樣盤來盛取試樣，為保證測得結果的準確性，不能對碳纖維造成任何損傷。采用國外標準制作襯紙很麻煩，在試驗過程中我用電腦制圖找到一個簡單易行的方法。取0.1mm左右厚的打印紙做基片；按圖1尺寸用Word制圖，劃出一個尺寸合適的框，復制滿A4紙打印（圖1是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸時，裁切線的長度應增加一倍）；直尺放與裁切線吻合后用刀片沿裁切線將實線部分裁除，然后兩端貼上5mm寬的雙面膠紙；抽取分離的單根碳纖維試驗樣品，沿中心虛線放上，并用雙面膠紙固定。也可以用融化后的松香，將單根碳纖維 “焊接”在紙框上，其“焊點”起到固定單根碳纖維的作用（試驗證明：采用“焊接”方式沒有雙面膠紙固定方式好用，而且夾持試樣時要離開“焊點”）；再用8～10mm寬的紙條，沿著裁切線寬度方向覆蓋雙面膠紙和試驗樣品端頭，沿剪切線剪切，分離成固定在單個紙框上的待測試樣。注意：碳纖維的取樣比較困難，尤其處理后的碳纖維，很細，也很難分辨是一根還是兩根，根據實驗中曲線對比進行判斷如果記錄下的曲線斜率明顯大于其他試樣的很有可能是兩根纖維，必要時可以用放大鏡配合取樣。將準備好的試樣放置在對比度比較大的紙上，以便清楚分辨試樣位置，為了清楚觀察試樣，最好準備一個冷光源臺燈。臺燈放置不能太近，以免熱空氣導致的氣流引起試樣的飄動。

3.2.2測試

測試程序與儀器型號有關系。不同儀器型號其測試過程不同。下面分別用兩種LLY-06E、LLY-06型單纖維強力儀的操作過程加以說明。打開儀器電源開關，設定操作程序，根據試驗要求設定所需隔距，例如：25mm、50mm，本次實驗取50mm。

按試驗要求設定試驗拉伸速度（1～5）mm/min，本實驗?。?mm/min，如果采用松香固定試樣時，上、下夾持器夾持試樣時要離開“焊點”，以免試樣脫落和斷裂。

被測試樣的一端夾持在電子式碳纖維強力儀的上夾持器上，試樣另一端夾持在下夾持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸試樣，直至試樣斷裂。記錄單次值的斷裂強力和斷裂伸長等技術指標，試驗結束后儀器自動給出所有技術指標的統計值。和PC機聯機可獲得實時曲線，便于分析技術數據。

3.2.2.1氣動夾緊的拉伸試驗（LLY-06E型）

將上述準備好的待測試樣一端沿著裁切線寬度邊緣，用上夾持器夾緊，另一端沿著裁切線寬度邊緣被下夾持器夾緊，并將夾緊的待測試樣兩側剪斷，按“拉伸”，使下夾持器下行，試樣斷裂后，下夾持器自動返回。重復測試過程，做完設定次數。儀器會在試驗過程中自動打印試驗記錄。由于夾持器沒有直接夾持試樣，減少了試樣斷裂在鉗口的概率。該測試適用于氣動夾緊夾持器的儀器。如需聯機，應在開啟電源前接好PC接口，開啟電腦、啟動程序，根據要求設定數據，然后點擊“實驗”進入試驗狀態。

3.2.2.2手動夾持器夾緊的直接拉伸試驗（LLY-06型）

由于社會上手動夾持、通用的單纖維強力儀較多，我曾經在上面做過大量試驗。這一類單纖維強力儀的夾持器不適合襯紙固定試樣，只有用傳統方式夾持拉伸，實踐證明：只要儀器技術達標，細心一些也可以作，但是手法很重要。

將上夾持器取下平放在襯墊上，把一束碳纖維試驗樣品放在夾持器左前方；右手向右抽取一根碳纖維，左手推動夾持器（注：右手不動），配合碳纖維導入夾持器鉗口內適當的長度，右手脫開試樣，左手旋緊夾持器。

左手把夾持器掛在傳感器的吊鉤上，這時試樣呈自然懸垂狀態，右手輕輕將碳纖維導入下夾持器內，左手將下夾持器旋緊；按“拉伸”鍵下夾持器開始下行，試樣斷裂后下夾持器自動返回。重復此過程以完成設定次數，儀器會在試驗過程中自動打印試驗記錄。在實驗中，如果試樣經常斷裂在鉗口，可以考慮在鉗口包覆一層襯墊。

4 結果與分析

試驗按照3.2.1制備了試樣，采用3.2.2.1描述的方法進行了試驗，實測數據見下表：

LLY-06E數據報表

試驗員: 張斌 標 準: ISO11566 批號:2-2-2 樣品名稱:鍍復碳纖維

隔 距: 50 mm 速度: 2 mm/min 溫濕度: 22℃ 60 % 次數: 20

圖2強力-伸長曲線

從測得數據來看出了單根碳纖維的特性：斷裂強力比較小，斷裂伸長率很小，拉伸曲線呈線性，屈服點和斷裂點幾乎吻合。

5 結論

碳纖維單根拉伸性能檢測的難點在于其剪切強度很低，稍有不慎就會斷裂，通過3.2.1描述的試樣制備后，試驗就會比較容易。在國外標準試樣制備固定試樣都有一個共同點：將單根碳纖維用松香或其它粘合劑固定在襯紙上，經試驗效果沒有用雙面膠紙固定試樣方便、可靠。由于碳纖維的斷裂伸長率很小的特性，采用比較大的隔距是對的。通用單纖維強力儀并非做不了碳纖維單根拉伸性能檢測，實踐證明：只要儀器技術指標符合要求，細心一些也可以作，但是手法很重要。

參考文獻：

1 ISO11566《碳纖維 單纖試樣拉伸性能的測定》

2 JIS R 7601《碳纖維試驗方法》

3 JIS K1477《纖維狀活性炭試驗方法》

4 JISK 1474活性碳試驗方法

發表于《紡織標準與質量》2007.4