聚丙烯腈（PAN）基碳纖維是一種以PAN原絲為前驅(qū)體，經(jīng)過1000℃ 以上高溫處理制得的碳含量在90%以上的無機(jī)纖維材料，因具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，因此是航空、航天等尖端領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，更是支撐世界高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要材料。隨著碳纖維在國防和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的迅速增加，以及從T300級、T700級向T800級碳纖維的跨越，完整的性能指標(biāo)、科學(xué)的表征方法成為與高性能碳纖維研制重要的配套體系，二者需緊密結(jié)合、同步發(fā)展。碳纖維表征和評價(jià)體系的發(fā)展，促進(jìn)了碳纖維技術(shù)的進(jìn)一步完善，加快了碳纖維的應(yīng)用和推廣。

碳纖維復(fù)絲拉伸性能的測試值與制樣及測試條件密切相關(guān)，本研究考察了夾具類型對不同型號碳纖維拉伸性能的影響，以期探討選擇適合碳纖維復(fù)合材料的夾具類型。

1、 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

QZ5526級碳纖維（規(guī)格12K，線密度445g/km，體密度1.78g/cm3），QZ6026級碳纖維（規(guī)格12K，線密度485g/km，體密度1.80g/cm3）

1.2 樣條的制備

按照GB/T 3362—2017要求，剪取一根長約500mm的碳纖維復(fù)絲，纏繞在復(fù)絲架上，然后浸于25℃的膠液中靜置5min，采用E51環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維復(fù)絲，放入120℃電熱鼓風(fēng)干燥箱，固化后得到碳纖維復(fù)合材料樣條。分別采用E44環(huán)氧樹脂和504樹脂作為加強(qiáng)樹脂，牛皮紙、砂紙、工業(yè)紙板作為加強(qiáng)片粘接在碳纖維復(fù)合材料樣條的兩端，得到加強(qiáng)的碳纖維樣條，用于碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試，試樣有效距離為150mm。

1.3 性能測試

1.3.1 力學(xué)性能測試

按照GB/T 3362—2017，分別采用帶氣動(dòng)夾具和帶液壓夾具的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對樣條施加5N的載荷，然后以10mm/min的加載速率測定樣條的拉伸性能。

2、 結(jié)果與討論

2.3夾具類型對碳纖維拉伸性能的影響

修訂后的GB/T 3362—2017對夾具的選用增加了新的要求，標(biāo)準(zhǔn)指出：夾具應(yīng)適合于夾持紙質(zhì)加強(qiáng)片的試樣，宜采用氣動(dòng)夾具。為了比較夾具類型對碳纖維樣條力學(xué)性能的影響，以QZ5526為研究對象，采用E44樹脂作為加強(qiáng)樹脂，牛皮紙作為加強(qiáng)片，分別采用帶氣動(dòng)夾具和液壓夾具的萬能材料試驗(yàn)機(jī)對樣條進(jìn)行測試。

圖1 夾具類型對QZ5526樣條拉伸性能(a)和CV值(b)的影響

圖1為夾具類型對QZ5526拉伸性能和CV（拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)）值的影響。從圖可以看出：采用氣動(dòng)夾具測得的拉伸強(qiáng)度比液壓夾具測得的普遍偏高，并且氣動(dòng)夾具測得的CV值遠(yuǎn)低于液壓夾具，液壓夾具測得的CV值均大于6%，有的甚至高達(dá)10%。這可能是因?yàn)橐簤簥A具的夾持力大，更加適用于金屬試件或復(fù)合材料試件的測試。而碳纖維作為一種脆性材料，采用液壓夾具夾持時(shí)，常常對加強(qiáng)部位的纖維樣條造成損傷或破壞，導(dǎo)致拉伸過程中斷裂發(fā)生在加強(qiáng)片內(nèi)或者夾具鉗口處，導(dǎo)致測得的拉伸強(qiáng)度低、CV值大。ASTM D3039《Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials》指出影響復(fù)合材料拉伸性能的影響因素之一：由于夾持引起的破壞有很高的百分比，尤其是材料數(shù)據(jù)的分散很大時(shí)，說明試件的夾持出現(xiàn)問題。這也更加可以確定夾具是影響碳纖維拉伸強(qiáng)度和CV值的一個(gè)重要因素。因此，測試碳纖維拉伸性能時(shí)建議采用氣動(dòng)夾具。