测试·浅谈碳纤维拉伸强度的测试方法_疲劳_断裂_复合材料_化学_通用_航空_航天_电子_材料_控制_试验

测试·浅谈碳纤维拉伸强度的测试方法

本文摘要：（由ai生成）

碳纤维拉伸强度测试包括单丝和复丝两种。单丝测试需分丝、加固、检测，过程复杂且结果难以反映真实值。复丝测试通过应力应变曲线获取，精度高，但受环境温湿度和机械架张力影响。宁波材料所设计了一种张力控制机械架，以提高复丝拉伸强度测试的精确性。

由于碳纤维为束丝状纤维，一束碳纤维往往由数千根甚至上万根单丝组成，因此碳纤维的拉伸强度测试方法包括两种：复丝拉伸强度和单丝拉伸强度。随着碳纤维应用领域日益广泛，世界各国均制定了各自标准，详细标准可见本文后附录。

01 碳纤维单丝拉伸强度

碳纤维单丝拉伸强度的实验测试与通常的力学拉伸强度实验方法不同，因其脆性的物理特性使得很难通过采用试验机夹头进行夹持纤维单丝，此外通过直接夹持测试其拉伸强度亦会对碳纤维造成一定的伤害，这常使得实验的断裂模式常发生在夹持处，造成了实验结果的失效。

碳纤维单丝拉伸强度检测过程分为：分丝、固定片加固、检测三个步骤，第一步分丝过程比较麻烦，纤维直径仅仅几微米，因此很难分辨是一根还是两根，第二步将挑选后单丝在纸片上进行加固，一旦操作不慎就会导致纤维断裂，在最后测试过程中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。

宁波材料所特种纤维事业部拥有德国FAVIMAT+型单丝纤维万能测试仪，该装置采用气动夹持，半自动测试的方式，其测力综合装置可以测定普通化纤、高强高模芳纶、高强高模聚乙烯、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、工程用短纤维等高性能纤维（拉伸强度、模量、断裂伸长率）力学性能。同时，还可利用振法测定纤维线密度，可直接显示线密度单值、平均值和变异系数。符合国家标准GB/T16256-1996、国际标准ISO1973-1995和国际化学纤维标准化局（BISFA）的试验方法标准，适用于单根纤维的线密度测定，可广泛应用于纤维、纺织等生产企业、检验机构和科研单位。

图1 单丝纤维万能物性测试仪

碳纤维单丝拉伸强度测试往往需要进行30根单丝甚至更多，才能获得有效值，碳纤维由成千上万根单丝组成，因此单丝拉伸强度很难反映碳纤维拉伸强度真实值，但单丝拉伸强度测试后可以通过单丝强度分度区间对纤维离散性进行综合分析。

02 碳纤维复丝拉伸强度

1、碳纤维复丝拉伸性能测试过程

碳纤维复丝拉伸强度测试时可以通过应力应变曲线直接获得碳纤维拉伸强度值，该测试方法获得的碳纤维拉伸强度精确度高。其具体测试流程如下：

首先，将复丝在一定浓度的树脂固化体系溶液中浸胶，取出后放在机械架上固定；

然后，将机械架放在烘箱内固化处理，取出固化后样条，按照尺寸规定做成加强片；

最后，利用万能实验材料机进行拉伸测试，进行拉伸强度测试之前，需要进行复丝线密度和体密度的测试。

2、碳纤维复丝拉伸性能测试影响因素

环境温湿度：主要温度为室温环境最适宜，如果温度过低，制样过程中树脂胶液难以对碳纤维复丝浸胶，而湿度对测试影响更为明显，一般而言，环境湿度越大，测试拉伸强度越低，因此碳纤维复丝拉伸强度测试时一般需要恒温恒湿环境。

机械架张力：张力过大，树脂胶液难以完全浸渍复丝，张力太小，纤维丝束松弛，不利于固化成型，而适度范围内的张力控制可以保证树脂胶液对复丝充分浸润，又能实现纤维复丝呈平直状态，因此是影响复丝拉伸强度的关键因素之一。

3、碳纤维复丝拉伸性能测试新技术

宁波材料所特种纤维事业部科研人员经过多年探索发现在碳纤维复丝拉伸强度测试过程中浸胶时机械架张力等因素会显著影响最终测试结果，为了实现碳纤维复丝拉伸强度精确测试，特种纤维事业部科研人员设计了用于碳纤维复丝拉伸强度测试装置（图2所示），并开发出了一种可精确测试碳纤维复丝拉伸强度方法。

图2 碳纤维复丝拉伸强度张力控制机械架

1、主体支架；2、中心轴；3、绕丝架；4、伸缩杆；5、固定杆；6、碳纤维复丝

该方法具体操作流程如下：（1）将待测碳纤维复丝 6 缠绕在绕丝架 3 上，随后将缠绕好待测碳纤维复丝 6 的绕丝架 3 连同中心轴 2、固定杆 5 和伸缩杆 4 从主体支架 1 上取下，在盛有环氧树脂胶液的金属底盘内浸胶。（2）将绕丝架 3 连同中心轴 2、固定杆 5 和伸缩杆 4 一起放回主体支架 1 上，通过伸缩杆 4控制浸胶后碳纤维复丝 6 的张力，调节至碳纤维复丝 6 平直 .（3）将碳纤维拉伸性能测试的制样装置放进鼓风干燥箱进行烘干，在 120℃烘干 120min，烘干结束后冷却，然后剪下固化的碳纤维复丝。（4）用强力胶将固化的碳纤维复丝两端用牛皮纸固定制备加强片，并于室温环境下进行碳纤维拉伸性能测试。

该方法采用碳纤维拉伸性能测试的专用制样装置，通过绕丝架的转绕圈数可以设定待测同一样品的数量；而通过设定绕丝架中绕丝杆长度可以设定待测样品的组数，相比于手工制样，其效率大大提高。同时，可通过调节伸缩杆控制浸胶后碳纤维复丝的张力，调节至碳纤维复丝平直，从而保证了检测数据的准确性和稳定性。

目前，宁波材料所特种纤维事业部的碳纤维复丝拉伸强度测试方法已经通过通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）和中国计量（CMA）认证，可根据国家标准及ISO、ASTM等国际标准进行试验和提供盖CNAS和CMA公章的报告，已经为国内数十家企业、科研单位提供了检测服务。

03 附录：国内外碳纤维拉伸测试标准一览

国际标准分类中，碳纤维拉伸涉及到增强塑料、复合增强材料、航空航天制造用材料。

在中国标准分类中，碳纤维拉伸涉及到纤维增强复合材料、玻璃纤维、合成树脂、塑料基础标准与通用方法、特殊炭素材料、炭素材料、基础标准与通用方法、炭素制品用设备、复合材料与固体燃料、人造板、航空与航天用非金属材料、炭素材料综合。

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，关于碳纤维拉伸的标准

GB/T 3362-2017 碳纤维复丝拉伸性能试验方法

国家质检总局，关于碳纤维拉伸的标准

GB/T 31290-2014 碳纤维单丝拉伸性能的测定
GB/T 26749-2011 碳纤维.浸胶纱拉伸性能的测定
GB/T 3362-2005 碳纤维复丝拉伸性能试验方法
GB/T 3362-1982 碳纤维复丝拉伸性能检验方法

日本工业标准调查会，关于碳纤维拉伸的标准

JIS K7096-2017 碳纤维增强塑料的透厚度拉伸性能试验方法. 弯曲法
JIS K7094-2012 碳纤维增强塑料空心拉伸强度试验方法
JIS K7094-2012 碳纤维增强塑料空心拉伸强度试验方法
JIS R7608-2007 碳纤维.树脂浸渍纱拉伸性能的测定
JIS R7606-2000 碳纤维.单纤维试样拉伸特性的测定
JIS K7087-1996 碳纤维增强塑料的拉伸蠕变试验方法
JIS K7083-1993 碳纤维增强塑料的恒定载荷振幅双向拉伸疲劳的试验方法
JIS K7079-1991 用加减45度拉伸法和两对轨法测定碳纤维增强塑料的平面剪切性能的试验方法
JIS K7073-1988 碳纤维增强塑料拉伸性能的测试方法

俄罗斯国家标准，关于碳纤维拉伸的标准

GOST 32667-2014 碳纤维. 测定长丝的拉伸性能
GOST R ISO 10618-2012 碳纤维. 树脂浸渍纱拉拉伸性能的测定方法

法国标准化协会，关于碳纤维拉伸的标准

NF T25-101-2005 碳纤维.树脂浸渍纱拉伸性能的测定
NF L17-410-1996 航空航天系列.碳纤维增强塑料.单向层压板.平行于纤维方向的拉伸试验
NF T25-101-1986 碳纤维.碳纤维浸渍长丝纱拉伸试验

德国标准化学会，关于碳纤维拉伸的标准

DIN EN ISO 10618-2004 碳纤维.树脂浸渍纱拉伸性能的测定

英国标准学会，关于碳纤维拉伸的标准

BS EN ISO 10618-2004 碳纤维.树脂浸渍纱拉伸性能的测定
BS EN ISO 10618-2000 碳纤维.树脂浸渍纱线拉伸特性的测定
BS EN 2597-1998 碳纤维层压板材.单向层压板材.垂直于纤维方向的拉伸试验

欧洲标准化委员会，关于碳纤维拉伸的标准

EN ISO 10618-2004 碳纤维.树脂浸渍纱拉伸性能的测定 ISO 10618-2004

国际标准化组织，关于碳纤维拉伸的标准

ISO 10618-2004 碳纤维.树脂浸渍纱拉伸性能的测定
ISO 10618-1999 碳纤维树脂浸渍纱拉伸性能的测定
ISO 11566-1996 碳纤维单长丝试样拉伸性能的测定

行业标准-航空，关于碳纤维拉伸的标准

HB 7625-1998 碳纤维复合材料层合板湿热环境下拉伸试验方法
HB 7071-1994 碳纤维复合材料层合板边缘分层拉伸试验方法
HB 6740-1993 碳纤维复合材料层合板开孔拉伸试验方法

美国机动车工程师协会，关于碳纤维拉伸的标准

SAE AMS 3894/17A-1994 碳纤维胶带和薄皮环氧树脂浸渍G 200(1379) 拉伸8.0(124)模数,120(248)

来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部

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来源：碳纤维生产技术

关注·杜善义院士：勿让“碳纤维强国”成为空谈

本文摘要：（由ai生成）杜善义院士在碳纤维产业大会上指出，中国碳纤维进入关键发展期，需提升认知以促进应用与发展。碳纤维作为战略新兴材料，正从高端领域向民用辐射，但存在规模、技术和应用等挑战。需解决生产效率、成本等问题，并加强应用推广，以抓住科技革命带来的机遇，成为碳纤维强国。近日，中国工程院、中国航天科技集团杜善义院士在“2019·第五届碳纤维及其复合材料产业大会”上发表了致辞演讲。“作为一名关心中国碳纤维及其复合材料发展和应用的老科技工作者，有些话想说说。”年逾八十的杜善义院士语重心长地表示，“目前，中国碳纤维已经进入了关键发展时期，如果提升认知，行业将获得良好的发展。但若还是认识不充分、不到位，未来的应用及进一步的发展或受到影响。”杜善义院士碳纤维认知正在提升 “跟跑”距离不长了“怎么认知碳纤维及其复合材料？它在国内目前的研发、应用及发展，到底是什么情况？”碳纤维及其复合材料具有优异的力学、化学和物理等性能，是国民经济与国防建设不可缺少的战略新兴材料，被誉为“黑色黄金”。事实上，我国自上世纪60年代起就开始了碳纤维研制工作，但因种种原因，在很长一段时间里，国内碳纤维发展停滞不前。“过去，碳纤维及其复合材料算是一种‘贵族材料’，主要应用在航空航天、国防等领域，一般的民营企业是用不起的。”杜善义院士指出，目前碳纤维已逐渐朝平民化方向发展，从航空航天、国防向民用领域辐射，且辐射速度越来越快。这直接体现在国内对碳纤维的认知度上。随着技术的发展、需求的推进、应用的拓宽、产业的完善，碳纤维正在得到大家的重视，行业的认知度也有了明显的提高，基本符合新材料的发展和应用规律。杜善义院士认同这种看法。他表示，国家提出的“科技强国”战略涵盖很多内容，其中包括“材料强国”，而碳纤维及其复合材料作为材料大家族中的重要新成员，“它本身一定不能落后，一定要成为一个强力军！”这是国内发展的共识，但实现的路途上仍存在着“规模”、“技术”和“应用”等荆棘。杜善义院士痛心疾首地表示，“在规模方面，从2017年的数据来看，中国的碳纤维需求量约占全球27%，但产能却只能达到17%，产量更低到了7%。”另外，从整个应用领域的组成结构来看，比例十分不相称，“航空航天才约占10%，C919大飞机采用的大多都是国外的纤维复合材料。”在技术方面，近十年来，在国家及民营企业家们的努力下，碳纤维的发展速度不断加速。在大型聚合系统、预氧化碳化系统等关键装备上，光威复材、中简科技、中复神鹰等企业都达到了自主控制的程度，基本扭转了关键装备受制于人的被动局面。“但从整体来看，效率、性能、稳定性、成本等问题都亟待解决。”杜善义院士指出，国内各个领域都在等着碳纤维彻底摆脱“卡脖子”的影响，这必须获得人才、技术及资本的支持。在应用发展方面，他直言国内确实十分重视，行业内也经常举办各种会议，涵盖汽车、轨道交通、建筑等等，但从真正辐射的领域看，与国外仍有差距。“与国外对比，我们还是有差距的，虽然差距不大，但要真正高度重视起来，才能让碳纤维强国不至于成为一句空谈。”创新、应用、发展如何抓住下一个机遇？“在这样的情况下，我们怎么抓住机遇、进一步发展，成为碳纤维强国，为需要它的行业服务，并反过来促进需求的发展和碳纤维自身的发展？”杜善义院士认为，新的科技革命正在到来。那么这一次科技革命到底包含了什么？“新材料首当其冲。从制造大国迈向制造强国，数字化、网络化、智能化被多次谈起，但核心是材料。材料是各个领域的基础，本身也是制造业之一。”杜善义院士表示。他强调，材料是经济和社会发展的基础和先导，所以国家十分重视新材料，特别是碳纤维及以其为代表的先进复合材料。“这里面可能存在着很重要的机遇，需要高度重视。”目前，碳纤维及其复合材料的需求正在增多，机遇或需求潜藏在各个领域的诉求里。以航空领域为例，杜善义院士指出，从通用飞机到公务飞机，从无人机、军用飞机到民用大飞机等，复合材料的使用量越来越大。“飞机结构的复合材料化程度已经成为衡量飞机先进性的标志。”这种需求也延伸到了轨道交通、汽车、风电、体育休闲等领域，且在国内拥有较大的发展空间。但可惜的是，碳纤维企业仍面临生产效率低等难题。“我以前调研过，过去确实是生产效率低下，导致我们的速度比国外慢。现在已经有少数企业突破了效率上的瓶颈，降低了成本，但很多企业还达不到这样的水平。”谈及碳纤维发展之路上的拦路石，杜善义院士再次强调了应用问题。“如何应用，怎么达到敢用、会用、用好、用多，是非常重要的问题，这不仅仅是科技工作者的事，企业家和政府也要重视，舍不得花钱是不行的。”要发展碳纤维及其复合材料，需要一一解决认识层面、技术层面、应用层面的关键问题。杜善义院士最后表示，“今天会议的主题是‘创新·应用·发展’，我觉得非常好。没有创新，哪来新型材料和高性能材料？企业不采用，不能应用就没法谈推动行业自身的发展，没法反哺创新。但做到了的话，我们将真正成为碳纤维及其复合材料的强国！”来源：新材料在线特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术