一种碳纤维高温力学性能测试方法与流程

本发明涉及一种碳纤维高温力学性能测试方法，属于功能复合材料高温性能测试技术领域。

背景技术：

碳纤维增强复合材料在高温(1000～2000℃)、超高温(2000～3000℃)领域的应用是近年来发展的一个重要方向，作为复合材料的重要力学性能来源，碳纤维增强体的力学性能是复合材料设计和应用的关键参数。获得碳纤维的高温、超高温力学性能数据，对高温、超高温复合材料的设计至关重要。

碳纤维的力学性能测试通常采用浸渍环氧树脂固化后的纤维束两端粘接加强片后拉伸获得，但由于环氧树脂、加强片和粘接剂的耐温有限，不能在高温下稳定存在，无法用于高温力学性能的获取。目前，能够进行碳纤维高温、超高温力学性能测试的方法主要为碳纤维单丝的高温力学性能测试，利用单丝碳纤维卡持后通电或辐射加热法实现高温环境，然后通过拉伸获得其拉伸载荷，通过拉伸载荷与纤维单丝截面积计算得到其拉伸强度。碳纤维不同单丝之间存在粗细和性能的差异，为获得具有统计意义的碳纤维高温、超高温力学性能，在利用碳纤维单丝进行性能测试时，需要进行大量(通常30个以上)子样的测试，然后利用平均数据作为碳纤维的力学性能数据。因此，利用碳纤维单丝法获取碳纤维高温、超高温力学性能的方法存在工作量巨大的问题。

采用碳纤维单丝测试其高温、超高温力学性能时还存在测温有偏差、纤维易受损、纤维截面不易获取等问题：单丝碳纤维由于其直径通常在10微米以下，很难直接对其进行测温，通常是采用非接触式光学测温仪测试其附近的辐射加热体或遮挡物的温度，这本身就会引起测试误差；纤维单丝在取样、卡具上装样、卡持等过程中都非常容易发生纤维的损伤，造成测试数据偏低；在高温、超高温下加热升温和测试过程中，环境中的极微量氧气将会对纤维造成氧化损伤，造成测试数据偏低；在超高温(温度超过2000℃后)下加热时，纤维材料将会发生升华气化现象，温度越高升华气化现象越明显，碳纤维的升华气化同样会造成测试数据的偏低；纤维的单丝截面并不是严格相等的，而且在高温、超高温下拉伸断裂后很难获得断裂处的样品，只能采用未测试样品的截面来等同于测试样品的截面，因此计算拉伸强度的纤维单丝截面面积存在与真实截面之间存在偏差，造成计算获得的强度数据存在偏差。上述这些碳纤维单丝测试方法存在的问题，都会造成碳纤维测试性能数据的降低，很难获得碳纤维高温、超高温下的真实性能数据。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种碳纤维高温力学性能测试方法，该方法采用纤维束进行碳纤维高温、超高温力学性能的测试，可以避免单丝纤维测试的上述问题，本发明提供一种碳纤维高温力学性能测试方法，采用碳纤维束高温拉伸法测试，获得碳纤维的高温、超高温拉伸性能数据，为高温、超高温碳纤维增强复合材料的设计提供依据。

一种碳纤维高温力学性能测试方法，步骤包括：

(1)将碳纤维束退捻后拉直状态下缠绕在石墨框上，通过化学气相沉积法进行热解碳覆层，形成纤维棒；

所述的将碳纤维束退捻后拉直状态下缠绕在石墨框槽上，是指将连续碳纤维进行退捻，使纤维束中纤维均处于平直无扭转状态，然后缠绕在中空的石墨框上，石墨框中空部分的长度大于200mm，石墨框上沿纤维缠绕方向刻细长坑槽，槽深度大于碳纤维束直径即可，用于缠绕时固定碳纤维束，纤维束在石墨框上缠绕不少于5圈，缠绕过程中纤维束应保持退捻和绷直状态，纤维束缠绕完成后打结或固定，防止纤维松弛；

所述的通过化学气相沉积法进行热解碳覆层是指把缠绕了绷直状态碳纤维束的石墨框放置于化学气相沉积炉中，进行热解碳沉积，沉积时间为10h～300h，形成热解碳覆层厚度在0.2～2μm范围内的纤维束棒，同批次试样需要固定覆层工艺条件，获得固定覆层厚度的纤维棒，把纤维棒从石墨框上取下，保留完整纤维束部分，该部分长度不小于200mm，同种纤维的纤维棒数量不少于10根；

(2)采用局部致密化法对纤维棒两端进行致密和增强，形成可卡持纤维棒测试试样；

所述的采用局部致密化法对纤维棒两端进行致密和增强，是指分别对纤维棒两端进行局部致密处理和进行局部增强处理，其中，局部致密处理是指对纤维棒两端距离端点20～80mm的范围进行高残炭酚醛树脂的真空浸渍和固化(固化温度80～200℃)，然后碳化(碳化温度800～1000℃)和高温热处理(高温热处理1200～1800℃)，温度不超过原始碳纤维经历过的最高温度，反复进行浸渍、固化、碳化和高温热处理过程1～2次，实现对纤维棒两端的致密，局部增强处理是指采用中间刻槽的耐高温(石墨、碳/碳复合材料、超高温陶瓷材料、超高温陶瓷基复合材料或高温合金)加强片分别于碳纤维棒两端致密部分两两相对用螺钉固定夹持，其中加强片接触面(包括放置纤维棒的槽内)和螺钉涂覆高残炭酚醛树脂，螺钉紧固后固化和碳化，然后对两端继续采用高碳酚醛树脂进行浸渍、固化、碳化和高温热处理(固化温度80～200℃，碳化温度800～1000℃，高温热处理温度1200～1800℃)，且不超过原始碳纤维经历过的最高温度)，重复2～3次获得拉伸试样，在纤维棒进行两端致密和增强的过程中，对纤维棒采取保护措施，防止纤维棒发生损伤或破坏，加强片的槽深为纤维棒半径；

(3)采用耐高温卡具卡持测试试样后安装在高温拉伸测试设备上，通过感应和辐射加热至预定高温，拉伸断裂后获得最大破坏载荷；

所述的耐高温卡具在高温下能够进行持续水冷，避免超过材料的耐温极限；

所述的高温拉伸测试设备是指能够对纤维棒进行感应加热、辐射加热的快速升温和高温下可以实现拉伸的设备，设备可以实现在氩气惰性气体保护下从室温到超高温不超过5min的升温能力，感应加热是指在中频感应线圈的感应下，纤维棒内产生感应电流自身生热的加热方式，辐射加热是指套装在试样周围的可感应发热体(如石墨)在中频感应线圈的感应下发热，然后对试样进行辐射加热，试样的温度通过双比色测温仪直接对试样中部的高温区进行测试获得，高温拉伸测试设备能够对长度200mm以上的纤维棒进行可控加载速度的拉伸，并将纤维棒拉断，其中，设备的加载速率可控制到0.5～15mm/min范围内；

根据纤维束线密度和体积密度计算得到纤维束截面积，再由最大载荷和截面积计算并多有效子样平均后获得碳纤维的高温拉伸强度数据；

所述的纤维束截面积用公式a＝ρl/ρv计算得到，其中a为纤维束截面积，ρl为纤维束线密度，ρv为纤维束体积密度；

所述的高温拉伸强度根据公式σt＝p/a计算得到，其中σt为子样的拉伸强度，p为纤维束的最大拉伸破坏载荷，碳纤维的平均拉伸强度通过测试5～7个有效子样，分别获得拉伸强度数据后平均得到；

步骤(3)和步骤(4)所述的获取拉伸强度过程中，应当对试样的损伤情况给予判断，对于纤维棒在测试前有损伤的试样不予测试，对于测试过程中存在明显异常情况的数据，应对试样和测试过程进行检查，如确定是装样过程、测试过程中的非正常因素(如损伤、拉伸方向与纤维棒存在明显夹角等)导致的异常时，测试数据无效。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)采用纤维束丝进行高温、超高温力学性能的测试，可以避免单丝测试过程中纤维容易损伤、纤维间性能离散大、测试工作量繁重、超高温下升华损伤、纤维单丝面积不易准确获取等问题造成的测试结果偏低、数据不够准确、很难实现超过2200℃测试的问题，实现碳纤维高达近3000℃的拉伸性能高效测试。

(2)纤维束采用热解碳覆层形成纤维棒，通过热解碳覆层将纤维束中的多根碳纤维进行固定，在承受拉伸载荷时提高了纤维的承载同步性，可以获得纤维有效的拉伸强度；同时，热解碳覆层可以避免环境中微量氧对纤维的氧化损伤，也可以避免超高温下纤维的升华气化，从而更有效的获得纤维的超高温拉伸性能数据。

(3)纤维棒两端致密化后采用涂覆树脂粘接耐高温加强片夹持、用螺钉螺接、孔隙中填充碳反复致密等手段进行加强，可以保障纤维棒在拉伸过程中不拔脱、不压溃，有效实现试样的拉伸断裂，获得有效的拉伸性能数据。

(4)纤维拉伸强度的截面积数据是根据束丝的体积密度和线密度实测数值计算得到，其更能反映纤维束真实的截面面积；通过不同厚度热解碳覆层样品的测试，可以通过反推法获得无热解覆层碳纤维的拉伸强度。同时也可以额外获得热解碳的高温拉伸性能数据。

(5)碳纤维束可以在缠绕到石墨框上后进行高温热处理，获得高温热处理后的碳纤维样品，然后再按照本技术方法进行热解碳覆层、两端致密和加强制备得到拉伸测试试样，然后再在高温拉伸测试设备上测试获得其高温、超高温力学性能数据。这种获得碳纤维高温热处理样品的方法与本发明技术方法融合到一起，避免了纤维先高温处理后不容易集束，在制样过程中更容易损伤纤维的问题。

附图说明

图1为石墨框上缠绕纤维的结构示意图；

图2为加强片的结构示意图。

具体实施方式

一种碳纤维高温力学性能测试方法，步骤包括：

(1)将碳纤维束退捻后拉直状态下缠绕在石墨框上，通过化学气相沉积法进行热解碳覆层，形成纤维棒；

如图1所示，所述的将碳纤维束退捻后拉直状态下缠绕在石墨框槽上，是指将连续碳纤维进行退捻，使纤维束中纤维均处于平直无扭转状态，然后缠绕在中空的石墨框上，石墨框中空部分的长度大于200mm，石墨框上沿纤维缠绕方向刻细长坑槽，槽深度大于碳纤维束直径即可，用于缠绕时固定碳纤维束，纤维束在石墨框上缠绕不少于5圈，缠绕过程中纤维束应保持退捻和绷直状态，纤维束缠绕完成后打结或固定，防止纤维松弛；

所述的通过化学气相沉积法进行热解碳覆层是指把缠绕了绷直状态碳纤维束的石墨框放置于化学气相沉积炉中，进行热解碳沉积，沉积时间为10h～300h，形成热解碳覆层厚度在0.2～2μm范围内的纤维束棒，同批次试样需要固定覆层工艺条件，获得固定覆层厚度的纤维棒，把纤维棒从石墨框上取下，保留完整纤维束部分，该部分长度不小于200mm，同种纤维的纤维棒数量不少于10根；

(2)采用局部致密化法对纤维棒两端进行致密和增强，形成可卡持纤维棒测试试样；

所述的采用局部致密化法对纤维棒两端进行致密和增强，是指分别对纤维棒两端进行局部致密处理和进行局部增强处理，其中，局部致密处理是指对纤维棒两端距离端点20～80mm的范围进行高残炭酚醛树脂的真空浸渍和固化(固化温度80～200℃)，然后碳化(碳化温度800～1000℃)和高温热处理(高温热处理1200～1800℃)，温度不超过原始碳纤维经历过的最高温度，反复进行浸渍、固化、碳化和高温热处理过程1～2次，实现对纤维棒两端的致密，局部增强处理是指采用中间刻槽的耐高温(石墨、碳/碳复合材料、超高温陶瓷材料、超高温陶瓷基复合材料或高温合金)加强片分别于碳纤维棒两端致密部分两两相对用螺钉固定夹持，如图2所示，其中加强片接触面(包括放置纤维棒的槽内)和螺钉涂覆高残炭酚醛树脂，螺钉紧固后固化和碳化，然后对两端继续采用高碳酚醛树脂进行浸渍、固化、碳化和高温热处理(固化温度80～200℃，碳化温度800～1000℃，高温热处理温度1200～1800℃)，且不超过原始碳纤维经历过的最高温度)，重复2～3次获得拉伸试样，在纤维棒进行两端致密和增强的过程中，对纤维棒采取保护措施，防止纤维棒发生损伤或破坏，加强片的槽深为纤维棒半径；

(3)采用耐高温卡具卡持测试试样后安装在高温拉伸测试设备上，通过感应和辐射加热至预定高温，拉伸断裂后获得最大破坏载荷；所述的耐高温卡具在高温下能够进行持续水冷，避免超过材料的耐温极限；

(4)所述的高温拉伸测试设备是指能够对纤维棒进行感应加热、辐射加热的快速升温和高温下可以实现拉伸的设备，设备可以实现在氩气惰性气体保护下从室温到超高温不超过5min的升温能力，感应加热是指在中频感应线圈的感应下，纤维棒内产生感应电流自身生热的加热方式，辐射加热是指套装在试样周围的可感应发热体(如石墨)在中频感应线圈的感应下发热，然后对试样进行辐射加热，试样的温度通过双比色测温仪直接对试样中部的高温区进行测试获得，高温拉伸测试设备能够对长度200mm以上的纤维棒进行可控加载速度的拉伸，并将纤维棒拉断，其中，设备的加载速率可控制到0.5～15mm/min范围内；

根据纤维束线密度和体积密度计算得到纤维束截面积，再由最大载荷和截面积计算并多有效子样平均后获得碳纤维的高温拉伸强度数据；

所述的纤维束截面积用公式a＝ρl/ρv计算得到，其中a为纤维束截面积，ρl为纤维束线密度，ρv为纤维束体积密度；

所述的高温拉伸强度根据公式σt＝p/a计算得到，其中σt为子样的拉伸强度，p为纤维束的最大拉伸破坏载荷，碳纤维的平均拉伸强度通过测试5～7个有效子样，分别获得拉伸强度数据后平均得到；

步骤(3)和步骤(4)所述的获取拉伸强度过程中，应当对试样的损伤情况给予判断，对于纤维棒在测试前有损伤的试样不予测试，对于测试过程中存在明显异常情况的数据，应对试样和测试过程进行检查，如确定是装样过程、测试过程中的非正常因素(如损伤、拉伸方向与纤维棒存在明显夹角等)导致的异常时，测试数据无效。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将t300-6k碳纤维(该碳纤维制备过程中的最高温度为1300℃)束退捻后拉直状态下缠绕在外尺寸为500×500mm、中空部分尺寸为300×300mm的石墨框上。石墨框刻沿纤维缠绕方向的细槽，槽深2mm。碳纤维束沿细槽缠绕20圈，缠绕过程中纤维束应保持退捻和绷直状态。纤维束缠绕完成后在框一角处打结固定，防止纤维松弛。采用上述方法缠绕3个石墨框。

将上述缠绕了碳纤维束的石墨框悬挂于化学气相沉积设备中，以丙烷为前躯体在950℃下沉积30h，获得热解碳覆层厚度约0.3μm的碳纤维棒。把纤维棒从石墨框上取下，保留完整纤维束部分，该部分长度约300mm，纤维棒直径约2mm，获得有效纤维棒总数为112根。

对上述获得的纤维棒两端距离端点约55mm范围内用高残炭酚醛树脂(河北高碑店铜山化工厂，残炭率60％)进行真空浸渍和固化，然后在850℃下进行碳化，在1300℃下进行高温热处理。反复进行树脂真空浸渍、固化、碳化和高温热处理过程2次，实现碳纤维两端的致密化。

以最高耐1500℃高温合金作为加强片，加强片上带四个m6螺纹孔，尺寸为50×30×4mm，长度方向中间刻槽，深度约1mm。将加强片刻槽一面(包括槽内)涂覆高残炭酚醛树脂，纤维两端致密部分别置于不同的加强片槽中，再用加强片将纤维棒致密端部两两夹持。然后采用长度为8mm的m6高温合金螺栓，涂覆高残炭酚醛树脂后，对夹持的加强片进行紧固，使得加强片紧密贴合。除去加强片表面溢出的多余树脂后固化、碳化和高温热处理(最高热处理温度为1300℃)，然后重复2次后获得两端加强的纤维棒拉伸试样。

在纤维棒进行两端致密和增强的过程中，纤维棒始终处于耐高温石墨托盘上，过程中纤维棒不受外力，保证试样制备过程中纤维不受到损伤或破坏。

采用可持续水冷的高温合金(最高耐温1500℃)卡具将前述制备的测试试样安装到高温拉伸测试设备上，在安装试样过程中，依次安装辐射加热石墨套筒发热体、碳毡隔热材料和水冷铜线圈。安装试样后，纤维棒中间部位位于发热体、隔热材料和线圈的中间部位，可有效加热区域长度约30mm。采用双比色测温仪对纤维棒中间区域进行测温。对试样所在的腔体进行氩气保护，然后通电加热，在纤维棒自身感应发热和石墨发热体辐射加热的作用下于1min内升温至预期温度(1000～1500℃)，然后以1mm/min的加载速度拉断纤维棒，获得预期温度下的最大拉伸破坏载荷p。

在1000℃、1200℃、1300℃、1500℃四个温度点下分别测试了7个有效子样，获得不同温度下的碳纤维高温拉伸最大破坏载荷pi。

根据t300-6k碳纤维的体积密度ρv＝1.76g/cm³和线密度ρl＝396g/km，根据公式a＝ρl/ρv计算得到纤维束的截面积a为2.25×10^-9m²，由公式σt＝pi/a计算得到子样的高温拉伸强度，然后平均得到纤维的平均高温拉伸强度。

经过与t300碳纤维单丝高温拉伸测试方法获得的拉伸强度对比可知，本发明技术方法获得的该碳纤维的力学性能略高(如下表所示)，而测试子样数量却远远低于单丝测试的30～40个子样。

实施例2

将t300-6k碳纤维束退捻后拉直状态下缠绕在外尺寸为500×500mm、中空部分尺寸为300×300mm的石墨框上。石墨框刻沿纤维缠绕方向的细槽，槽深2mm。碳纤维束沿细槽缠绕20圈，缠绕过程中纤维束应保持退捻和绷直状态。纤维束缠绕完成后在框一角处打结固定，防止纤维松弛。采用上述方法缠绕3个石墨框。将上述缠绕了碳纤维束的石墨框与氩气保护的高温热处理炉中于2500℃下热处理，获得t300-6k-2500℃纤维样品。

将上述高温热处理后的缠绕在石墨框上的纤维悬挂于化学气相沉积设备中，以丙烷为前躯体在950℃下沉积50h，获得热解碳覆层厚度约0.5μm的碳纤维棒。把纤维棒从石墨框上取下，保留完整纤维束部分，该部分长度约300mm，纤维棒直径约2mm，获得有效纤维棒总数为75根。

对上述获得的纤维棒两端距离端点约52mm范围内用高残炭酚醛树脂(河北高碑店铜山化工厂，残炭率60％)进行真空浸渍和固化，然后在850℃下进行碳化，在1800℃下进行高温热处理。反复进行树脂真空浸渍、固化、碳化和高温热处理过程2次，实现碳纤维两端的致密化。

以超高温陶瓷基复合材料作为加强片，加强片上带四个m6螺纹孔，尺寸为50×30×4mm，长度方向中间刻槽，深度约1mm。将加强片刻槽一面(包括槽内)涂覆高残炭酚醛树脂，纤维两端部致密部分分别置于不同的加强片槽中，再用加强片将纤维棒致密端部两两夹持。然后采用长度为8mm的m6碳/碳复合材料螺栓，涂覆高残炭酚醛树脂后，对夹持的加强片进行紧固，使得加强片紧密贴合。除去加强片表面溢出的多余树脂后固化、碳化和高温热处理(最高热处理温度为1500℃)，然后重复3次后获得两端加强的纤维棒拉伸试样。

在纤维棒进行两端致密和增强的过程中，对纤维棒始终处于耐高温石墨托盘上，过程中纤维棒不受外力，保证试样制备过程中纤维不受到损伤或破坏。

采用可持续水冷的高温合金(最高耐温1500℃)卡具将前述制备的测试试样安装到高温拉伸测试设备上，在安装试样过程中，依次安装辐射加热石墨套筒发热体、碳毡隔热材料和水冷铜线圈。安装试样后，纤维棒中间部位位于发热体、隔热材料和线圈的中间部位，可有效加热区长度约30mm。采用双比色测温仪对纤维棒中间区域进行测温。对试样所在的腔体进行氩气保护，然后通电加热，在纤维棒自身感应发热和石墨发热体辐射加热的作用下于5min内升温至预期温度(1500～2500℃)，然后以1mm/min的加载速度拉断纤维棒，获得预期温度下的最大拉伸破坏载荷p。

在1500℃、1700℃、1900℃、2100℃、2300℃、2500℃六个温度点下分别测试了7个有效子样，获得不同温度下的碳纤维高温拉伸最大破坏载荷pi。

根据t300-6k-2500℃碳纤维的体积密度ρv＝1.88g/cm³和线密度ρl＝395g/km，根据公式a＝ρl/ρv计算得到纤维束的截面积a为2.10×10^-9m²，由公式σt＝pi/a计算得到子样的高温拉伸强度，然后平均得到纤维的平均高温拉伸强度。

本发明技术方法首次获得了2500℃热处理碳纤维的力学性能，如下表所示。