各向異性材料的挑戰：碳纖維應用與關鍵力學性能評估

碳纖維材料的應用

碳纖維是一種含碳量超過90%的高強度、高模量纖維材料，以其“輕如羽毛，堅如鋼鐵"的特性著稱。其應用已從早期的航空航天領域迅速擴展到國民經濟的各個角落。

1. 航空航天

飛機：大量用于機翼、機身、尾翼、整流罩等主承力和次承力結構件（如波音787、空客A350的復合材料用量超過50%）。能有效減輕重量，降低油耗。

航天器：用于火箭發動機殼體、衛星支架、太陽能電池板等，減輕發射重量至關重要。

無人機：主流無人機的機身結構幾乎全部采用碳纖維復合材料，以實現高推重比和長航時。

2. 體育休閑用品（最普及的領域）

器材：高檔自行車車架、網球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、釣魚竿、賽艇、帆板、F1賽車等。目標是減輕重量并提升剛性和強度。

3. 汽車工業（快速增長領域）

高性能/賽車：用于車身面板、底盤、傳動軸、內飾等，以實現輕量化、提升加速和操控性能。

新能源車：對于電動汽車，輕量化能直接提升續航里程，因此電池盒、車身結構件應用日益增多。

4. 新能源與工業領域

風電：制造超大型風機葉片，要求材料具有高比強度、高疲勞壽命以承受復雜載荷。

壓力容器：用于存儲氫氣和天然氣的高壓氣瓶（Type III, Type IV），重量輕且安全性高。

基礎設施：用于建筑結構的加固補強（替代鋼筋），以及橋梁、海港的修復。

5. 其他高科技領域

醫療器械：X光透視床板、假肢、骨科植入物、輪椅等，利用其高強度和X光透過性。

電子產品：筆記本電腦外殼、手機中框、無人機機身，兼顧輕薄、堅固和散熱。

碳纖維材料的力學測試方法

碳纖維材料通常以復合材料的形式使用，碳纖維增強樹脂基復合材料。其力學測試需針對復合材料的各向異性特點（不同方向性能不同）進行。

核心測試標準

國際上廣泛遵循美國材料與試驗協會標準（ASTM）和國際標準化組織標準（ISO）。

ASTM D3039：聚合物基復合材料拉伸性能試驗。

ASTM D6641：復合材料壓縮性能試驗。

ASTM D7264：復合材料彎曲性能試驗。

ASTM D2344：復合材料短梁強度試驗（層間剪切強度）。

ISO 527-4/5：塑料拉伸性能測試（針對復合材料部分）。

主要力學性能測試項目與方法

1. 拉伸測試

目的：測定拉伸強度、拉伸模量、泊松比和斷裂應變。

方法：使用啞鈴型或矩形平直試樣，兩端用專用夾具（如楔形夾、液壓夾）夾緊，在萬能試驗機上進行單向拉伸。通常需粘貼應變片或使用引伸計測量變形。

關鍵點：需測試0°（纖維方向） 和90°（垂直纖維方向） 以獲取不同方向的性能。

2. 壓縮測試

目的：測定壓縮強度和模量。

方法：比拉伸測試更復雜，因為容易發生失穩（屈曲）。常用方法有：

夾具支持法（ASTM D6641）：使用專用的防屈曲夾具支撐試樣大部分區域，只留一段工作區域受壓。

Celanese/ Illinois Institute of Technology Research Institute 方法：使用特定形狀的夾具。

3. 彎曲測試（三點/四點彎曲）

目的：測定彎曲強度、彎曲模量。這是一種簡單的質量控制和篩選測試，綜合反映了材料的拉伸、壓縮和剪切性能。

方法：將矩形梁試樣置于兩個支撐輥上，中間一個或兩個加載輥向下施壓。通過載荷-位移曲線計算性能。

4. 層間剪切強度測試

目的：評估纖維與樹脂基體之間的界面結合強度，這是復合材料的關鍵弱項。

方法：

短梁剪切（ASTM D2344）：使用小跨厚比的試樣進行三點彎曲，使其優先發生層間剪切破壞。

雙缺口剪切：在試樣中間段加工兩個對稱缺口，引導剪切破壞發生在層間平面。

5. 疲勞測試

目的：評估在循環載荷下的性能退化，測定S-N曲線（應力-壽命曲線）。

方法：在疲勞試驗機上對試樣施加交變的拉伸-壓縮或拉伸-拉伸載荷，記錄直至失效的循環次數。

測試關鍵注意事項

1. 取樣方向：必須明確并記錄纖維鋪層方向和測試方向（0°， 90°， ±45°等）。

2. 試樣制備：切割質量至關重要，需使用金剛石砂輪或水刀切割，避免邊緣分層和應力集中。

3. 應變測量：優先使用應變片，它比引伸計能更直接、更精確地測量局部應變，尤其是模量計算。

4. 數據記錄：需要記錄完整的載荷-位移或應力-應變曲線。曲線形狀能揭示材料的損傷演化過程。

5. 失效模式分析：測試后必須觀察和記錄試樣斷口形貌（如纖維斷裂、分層、基體開裂等），這對于失效分析和材料改進至關重要。

總結

碳纖維復合材料的應用正不斷向更廣、更深的領域拓展。而其力學性能測試是一套嚴謹的科學體系，需要根據材料的使用場景和受力狀態，選擇合適的測試標準和方法，并特別注意其各向異性的特點。精確的測試數據是進行安全設計、質量控制和材料研發的基石。