摘 要 

碳纤维及其复合材料因其优异的拉伸性能和轻质特性而备受关注，但是，自从它们问世以来，碳纤维及其复合材料在压缩载荷下的较差性能一直是制约其广泛应用的主要障碍。

在本系列专题文章中，将会从微观结构和宏观角度系统地讨论造成这一缺陷的原因，并就如何提高碳纤维及其复合材料的压缩性能提出了建议。本文首先介绍了碳纤维压缩强度的常见测试方法，并分析了这些方法的优势与缺点。

01、背景介绍

碳纤维及其复合材料可以实现轻量化和高强度特性的有机结合，从而使其成为航空航天、体育和休闲、国防、汽车和风能等许多对重量敏感行业的理想应用。

与拉伸性能相比，碳纤维及其复合材料的纵向压缩性能较差，这极大限制了它们的广泛应用。通常，碳纤维及其复合材料的抗压强度仅约为其抗拉强度的30%至50%。

压缩性能的下降主要由碳纤维的微观结构控制，而对于复合材料，压缩对制造方法、层压设计、材料性能和材料性能等因素也极为敏感，因此，这种压缩性能限制导致了设计限制，使结构部件无法充分利用碳纤维的高性能。

过去几十年来，有关提高碳纤维及其复合材料性能的研究呈爆炸式增长。尽管三十年前就有人已经对碳纤维的低压缩性能提出了担忧，但时至今日有关提高相应压缩性能的研究仍未有实质性进展。

鉴于复合材料的性能主要取决于其组分，包括基体、纤维增强和纤维-基体相互作用，在本系列专题中将重点确定控制碳纤维和碳纤维增强复合材料压缩性能的因素。本文将首先讨论用于评估碳纤维压缩性能的几种方法。

02、碳纤维的压缩性能分析

2.1 碳纤维压缩性能常见测试方法

由于碳纤维直径仅仅约为7µm，因此测量单根纤维的轴向压缩性能本身就极具挑战性，目前碳纤维压缩强度测试方法主要包括间接测试法和直接测试费两大类。

2.1.1 间接测试方法

间接方法包括（1）、弹性环试验，（2）、反冲法，（3）、单纤维复合材料试验和（4）、弯曲梁法。四种方法的示意图如下图1所示：

图1. 间接测量方法a）弹性环，b）反冲法，c）单纤维复合材料，d）弯曲梁法。

在弹性环法（图1a）中，将单丝以环的形式放置在玻璃载玻片之间，并向纤维末端施加拉力。在显微镜下同时观察环的尺寸变化，直到弹性失稳并在环的压缩区域中产生扭结带。此时，使用下列公式1计算压缩应变，该公式由纤维半径（R）和观察到扭结带的环的最小曲率半径（Rc）定义。该测量假设纤维的抗压强度是在失效前抵抗扭结的主要原因。获得的应变乘以弹性模量，就可以得到纤维的抗压强度。

在反冲法中（图1b），拉伸载荷以不同的增量施加到一系列纤维上。每次载荷增量时，在张力下，纤维标距长度的中心进行切割。反冲效应发生在纤维的断裂端，导致应变能转化为动能，驱动纤维的每个自由端朝向夹具。由于夹具是刚性的，动能被转换为应变能，压缩波向自由端传播。如果在此过程中产生的压缩应力大于纤维的实际压缩强度，则纤维上会形成扭结带，然后使用进行此观察的最低载荷来获得纤维的抗压强度

在单纤维复合材料试验中（图1c），首先将单丝粘在嵌入环氧树脂中的铝分模上，并使其固化。将固化的样品切成块，然后研磨和抛光，从而获得垂直于纤维轴的平面，然后使用配备有平行砧的万能试验机以0.02英寸/分钟的速度将样品压缩至约0.1%，直到第一根细丝断裂。纤维的抗压强度通过将无纤维断裂的最高压缩应变乘以纤维的杨氏模量来计算，该方法假定材料的拉伸和压缩模量是相同的。

在弯曲梁法（图1d）中，纤维最初粘结到塑料载玻片的表面。玻璃的一端被夹住，另一端放在滚轮上。通过将辊移向固定端，同时使用光学显微镜观察纤维上扭结带的形成，使塑料玻片弯曲；然后，使用下列公式2，根据在固定端附近观察到的最后扭结的距离（l）、从固定端到辊中心的距离（L）、辊的直径（d）和梁的厚度（t），计算临界压缩应变。纤维的应变和拉伸模量的乘积提供了抗压强度。

这些间接方法的缺点是：

在弹性环和弯曲梁试验中，压缩应力是通过纤维弯曲得到的。因此，在这些过程中纤维中产生的应力并不完全与轴向压缩载荷相关。此外，为了估计纤维的抗压强度，这些方法假定拉伸模量和压缩模量相同，但实际情况并非如此。

反冲试验方法仅限于抗压强度低于抗拉强度的纤维。

在单纤维复合材料试验方法中，纤维表面缺陷将被基体覆盖，树脂固化过程中产生的残余应力也会影响结果。此外，纤维-基体界面也将对实际抗压强度产生影响。

在弯曲梁法中，楔形件的直径对压缩应变分布有重大影响，纤维表面缺陷可能导致难以确定扭结带的形成。

2.1.2 直接测试方法

压缩强度的直接测量只能通过使用微压缩试验装置直接施加到纤维上的真实轴向压缩力（如图2所示）来确定。几种常见的方法包括（1）、使用悬臂挠度直接测量，（2）、通过使用扁平尖端加载直接测量，（3）、通过将纤维固定在环氧树脂中并使用扁平尖端进行加载直接测量；（4）、微柱Micro-pillar压缩。

图2. 几种常见的直接压缩强度试验方法：a)基于悬臂挠度；b)基于平端加载；c)将纤维固定在环氧树脂中并平尖加载；d)微柱压缩试验

对于第一种方法（图2a），纤维安装在0.2 mm厚的铜片上，铜片固定在可移动平台上。安装有应变计的悬臂梁放置在立柱支架上，然后将纤维样品压在悬臂梁上，同时记录应变，直到样品在压缩中断裂；最后，通过使用公式3中的悬臂梁理论获得纤维样品上的压缩力，其中F是压缩力，L是应变计到纤维位置的距离，E是悬臂梁的弹性模量，ε是压缩应变，a和b是梁的横截面尺寸，然后使用压缩力计算纤维的压缩强度。

上面基于悬臂挠度的测试（图2a）与通过平头加载进行的测量（图2b）之间的主要区别在于使用测压元件来测量纤维上的压缩力。在第三种方法中（图2c），纤维垂直埋入环氧树脂中并固化，使用聚焦离子束（FIB）抛光使截面的突出部分变成平面，然后用一个连接在测压元件上的扁平尖端对样品进行压缩加载，以测量纤维的压缩特性。微柱压缩试验（图2d）与图2c所述的方法不同，因为它涉及使用FIB将装在环氧树脂中的纤维研磨成微柱；然后，使用扁平尖端将柱置于负载下，以测量纤维的压缩性能。

常见的直接测试方法的主要缺点包括：

在悬臂梁法中，即使力直接施加在纤维上，将其推向悬臂梁，纤维所受的实际力是通过观察到的悬臂梁应变来测量的。因此，所确定的抗压强度仍然是间接的，并且由于变异性较大，可能会导致较高的误差。

所有方法都涉及费力和复杂的样品制备技术。

在微柱测试中，几乎不可能在不损坏纤维的情况下去除纤维表面的所有环氧树脂。

综合考虑到直接测试和间接测试方法的优缺点，建议采用除微柱试验外的其他几种直接测试方法，从而保证获得碳纤维的一致和可靠的压缩性能。