浅谈碳纤维拉伸强度的测试方法 / 开普饭

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。

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。

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。

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)

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