碳纤维 （carbon fibre），顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去20多年，它至今仍保持纤维形态。

碳纤维成分结构

　　碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。

　　碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。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。

　　综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

  

碳纤维编织布

碳纤维化学性质

　　碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

碳纤维的制备

　　碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

　　目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱?醯取?

碳纤维的强伸性能测试

　　概述：

　　由于原料、模量、强度和最后的热处理温度不同，产生了特性不同的碳纤维，前者硬而脆的常用于复合材料，软而柔顺的常用于纺织；后者多被用于工程用料。由于碳纤维的应用越来越多兼之其特性，碳纤维强力拉伸性能测试的紧迫性摆在了我们面前。强伸性能试验属于破坏性的，试验完毕试样没有可恢复性，又因为碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，试验前不要对试样造成损伤。一般试验需要得到的技术指标是CV值、平均值等。

　　测试与标准：

　　碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。

　　下面首先对于单丝法拉伸予以描述：碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，不要对试样造成损伤。国际标准ISO11566《碳纤维 单纤试样的测定》和日标JIS R7601《碳纤维试验方法》指出了采用纸框法固定试样，当然也不排除其他方法。我国的方法标准正在制定中，但是，检测方面的论述已经有很多：苏州经贸职业技术学院、曲阜师范大学的张小英、张斌在2007年《纺织标准与质量》发表了《碳纤维拉伸性能的测试方法》，《纺织实验技术》（中国纺织出版社）《实验十五 碳纤维强伸性能测试》等文章。

  

LLY-06型碳纤维强力仪

单纤维强伸性能试验要采用能测试碳纤维的高强高模纤维强力仪，如CRE型碳纤维强力机(LLY-06E型电子碳纤维强力仪外观如图1所示)。

　　试样制备：

　　纸框法固定试样，剪取适当长度的该碳纤维试验样品,用钢针沿着纤维方向将其分离，使试验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样，为保证测得结果的准确性，不能对碳纤维造成任何损伤。采用国外标准制作衬纸很麻烦，在试验过程中我用电脑制图找到一个简单易行的方法。取0.1mm左右厚的打印纸做基片；按图1尺寸用Word制图，划出一个尺寸合适的框，复制满A4纸打印（图2是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时，裁切线的长度应增加一倍）；直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除，然后两端贴上5mm宽的双面胶纸；抽取分离的单根碳纤维试验样品，沿中心虚线放上，并用

  

试样制备示意图

^[1]

双面胶纸固定。也可以用融化后的松香，将单根碳纤维 “焊接”在纸框上，其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用（试验证明：采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用，而且夹持试样时要离开“焊点”）；再用8～10mm宽的纸条，沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和试验样品端头，沿剪切线剪切，分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意：碳纤维的取样比较困难，尤其处理后的碳纤维，很细，也很难分辨是一根还是两根，根据实验中曲线对比进行判断如果记录下的曲线斜率明显大于其他试样的很有可能是两根纤维，必要时可以用放大镜配合取样。

　　测试：

　　测试程序与仪器型号有关系。不同仪器型号其测试过程不同。下面分别用两种LLY-06E、LLY-06型单纤维强力仪的操作过程加以说明。打开仪器电源开关，设定操作程序，根据试验要求设定所需隔距，例如：25mm、50mm。

　　按试验要求设定试验拉伸速度（1～5）mm/min，本实验取：2mm/min，如果采用松香固定试样时，上、下夹持器夹持试样时要离开“焊点”，以免试样脱落和断裂。

　　被测试样的一端夹持在电子式碳纤维强力仪的上夹持器上，试样另一端夹持在下夹持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸试样，直至试样断裂。记录单次值的断裂强力和断裂伸长等技术指标，试验结束后仪器自动给出所有技术指标的统计值。和PC机联机可获得实时曲线，便于分析技术数据。

　　1气动夹紧的拉伸试验（LLY-06E型）

　　将上述准备好的待测试样一端沿着裁切线宽度边缘，用上夹持器夹紧，另一端沿着裁切线宽度边缘被下夹持器夹紧，并将夹紧的待测试样两侧剪断，按“拉伸”，使下夹持器下行，试样断裂后，下夹持器自动返回。重复测试过程，做完设定次数。仪器会在试验过程中自动打印试验记录。由于夹持器没有直接夹持试样，减少了试样断裂在钳口的概率。该测试适用于气动夹紧夹持器的仪器。

　　如需联机，应在开启电源前接好PC接口，开启电脑、启动程序，根据要求设定数据，然后点击“实验”进入试验状态。

　　2手动夹持器夹紧的直接拉伸试验（LLY-06型）

　　由于社会上手动夹持、通用的单纤维强力仪较多，我曾经在上面做过大量试验。这一类单纤维强力仪的夹持器不适合衬纸固定试样，只有用传统方式夹持拉伸，实践证明：只要仪器技术达标，虽然未曾拉伸断试样的概率比较高，细心一些也可以作，但是手法很重要。

　　将上夹持器取下平放在衬垫上，把一束碳纤维试验样品放在夹持器左前方；右手向右抽取一根碳纤维，左手推动夹持器（注：右手不动），配合碳纤维导入夹持器钳口内适当的长度，右手脱开试样，左手旋紧夹持器。

　　左手把夹持器挂在传感器的吊钩上，这时试样呈自然悬垂状态，右手轻轻将碳纤维导入下夹持器内，左手将下夹持器旋紧；按“拉伸”键下夹持器开始下行，试样断裂后下夹持器自动返回。重复此过程以完成设定次数，仪器会在试验过程中自动打印试验记录。在实验中，如果试样经常断裂在钳口，可以考虑在钳口包覆一层衬垫。

　　需要指出的是：属于不加预张力的拉伸，预张力夹会使试样未曾拉伸先断裂，致使夹持试样失败。