微说：碳纤维增强树脂基复合材料的压拉平衡

压拉比是表征碳纤维增强树脂基复合材料的压拉平衡的一项重要指标，它是指碳纤维复合材料压缩强度与拉伸强度比值。表1为日本东丽碳纤维增强树脂基复合材料主体性能及压拉比。

表1 日本东丽碳纤维复合材料性能及压拉比

东丽T300级碳纤维复合材料拉伸强度及压缩强度较低，但是却具有最高的压拉比0.79，T700、T800等碳纤维增强复合材料拉伸强度虽然获得大幅提升，但是压缩强度增加不明显，导致复合材料压拉比逐渐下降。

在碳纤维性能不断提升初期，通过减小纤维直径，碳纤维的压缩强度出现显著提升，例如日本东丽T300碳纤维直径为7μm，压缩强度仅为1.80GPa，但当东丽T1000G碳纤维直径下降到5μm时，纤维压缩强度提高到2.80GPa（详见本公众号前面发布文章）。

虽然碳纤维压缩强度得以提高，但是碳纤维增强树脂基复合材料压缩强度却变化不大，东丽T700碳纤维复合材料压缩强度达到1570MPa以后，对于高强中模碳纤维而言，即使碳纤维拉伸强度大幅增加，但复合材料压缩强度却几乎维持不变。

而对于高模碳纤维而言，复合材料压缩强度随着碳纤维拉伸模量增加而逐渐下降。这就导致了最终随着碳纤维性能提升，碳纤维增强复合材料压拉比却在不断下降。

由于碳纤维复合材料压缩强度、压拉平衡性能偏低，导致碳纤维复合材料构件受压缩载荷时易于发生破坏，从而严重限制其应用，为此如何提升碳纤维复合材料压拉比成为近年来研究热点之一。

为了满足新型航天航空飞行器主承力结构件，以及高铁、汽车和其他工业装备领域对轻质高压缩强度和高压拉比复合材料的需求，中科院宁波材料所团队在国产高强中模碳纤维研制过程中实现了碳纤维直径的柔性控制，制备得到不同直径规格的国产T800级高强中模碳纤维，并针对不同直径国产T800级高强中模碳纤维增强树脂基复合材料压拉平衡进行了对比研究，测试结果如表2所示。

表2 不同直径国产高强中模碳纤维增强复合材料性能

从上表可以发现粗直径国产碳纤维增强复合材料的压缩强度高达1718MPa，较常规直径规格碳纤维复合材料性能明显提升，而且也优于东丽T800碳纤维复合材料压缩强度的1570MPa，经计算，粗直径碳纤维增强复合材料压拉比已经达到0.86。

但从表中可以看出粗直径碳纤维增强复合材料的拉伸强度仅仅为2000MPa，低于常规直径复合材料的2520MPa，说明虽然通过碳纤维直径调控可以提升复合材料压拉比，但是若要实现综合性能同步提升仍存在一定难度。

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