碳纤维单丝测试的重要性

在对复合材料进行建模分析时，需要输入材料特性来进行可靠的预测，而预测的准确性在很大程度上取决于所使用的输入数据。在碳纤维增强树脂基复合材料中，碳纤维和基体是复合材料的基本组分，获得它们的性能是预测复合材料力学性能的基础。

复合材料在拉伸作用下的失效通常与沿加载方向排列层的失效相一致，这些层的失效最终取决于碳纤维断裂的积累，而预测碳纤维断裂的发展过程并准确预测失效应变需要了解碳纤维的强度和刚度。由于微尺度缺陷的存在，碳纤维的断裂失效是随机的。因此，碳纤维强度不是用平均值表示，而是用概率分布表示，通常是威布尔分布，碳纤维单丝测试的重要意义不言而喻。

此外，近日小编受某国际期刊邀请审理了一篇稿件，作者来自日本东京工业大学，该研究团队使用单丝拉伸测试分析了玻璃纤维、PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和SiC四种纤维在液体中的拉伸强度，结果显示：PAN基碳纤维和SiC纤维的拉伸强度受控于表面裂纹，而玻璃纤维和沥青基碳纤维的拉伸强度受控于内部裂纹。由此可见，单丝测试对于揭示碳纤维高强度特性也有着重要意义。

虽然碳纤维具有很高的强度，但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。同时，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。碳纤维单丝测试的典型测试方法是使用剪纸纸或薄塑料片来固定纤维。

碳纤维单丝测试过程

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；

第三步：在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。

宁波材料所碳纤维及其复合材料团队拥有德国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，其测量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。

单丝纤维万能物性测试仪

以碳纤维单丝力学性能测试为例，对同一根碳纤维单丝的横截面和拉伸强度的组合测量可以将力-伸长率曲线直接转化为应力-伸长率曲线。这是通过将每根碳纤维的单个横截面的cN力归一化来完成的，以在拉伸测试过程中接受以GPa表示的应力。同样，这些应力-伸长率曲线的导数也可以直接以GPa为单位获得，从而可以立即测量。

使用FAVIMAT在20根碳纤维样品上测得的最大力-伸长率，应力-伸长率和模量

通过上述设备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。在线密度测试时，仪器会在确定的张力和振荡长度下自动确定基本横向振荡的共振频率。鉴于被测材料的密度，可以容易地确定有效横截面，其精度通常比通过光学手段确定的精度更好。可以将测量原理扩展到完整的振动分析，以便确定其他参数，例如弯曲刚度。

作为一种通用测试仪，FAVIMAT+型单丝纤维万能测试仪适用于所有类型的纤维，而其优异的长度和力分辨率（低至0.1 µN）使其成为一种有趣的测试仪器，也可用于其他应用，例如对纳米非织造布的拉伸测试。该设备测试符合国家标准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。

碳纤维单丝拉伸性能测试往往需要进行数十根单丝甚至更多，才能获得有效值，碳纤维由成千上万根单丝组成，因此单丝拉伸性能测试后，可以通过单丝强度分度区间对纤维离散性进行综合分析。