PAN基碳纤维断面结构的分形的研究.pdfVIP

中国科协第四届优秀博士生学术年会论文集 PAN基碳纤维断面结构的分形研究 谭连江1 姚江薇2 潘鼎1 1．东华大学材料科学与工程学院；2．纺织科学与工程学院，上海，200051 摘要PAN基碳纤维是一种脆性材料，其断裂端面具有脆性材料所特有的结构。碳纤维的 断裂强度取决于纤维中力学性质最弱处的结构，即弱节结构。由于断面本身就是一种弱节 结构，因此本文以PAN基碳纤维经拉伸后形成的断面为研究对象，把不同强度碳纤维断面 的扫描电镜(SEM)照片用计算机进行处理，再利用分形理论测量其分形维数，从而得出 碳纤维的强度与其断面的分形维数之间的关系。 关键词材料学；PAN基碳纤维；弱节；分形维数 引 言 分形理论在材料科学中有很多的应用，例如材料的组织生长的研究，准晶态的晶体结构的研究以及材 料损伤的检测等等。分形理论在高分子科学中的应用研究也有很多文献报道，例如分形理论与各种现代分 析手段相结合，已用于研究高分子的链结构、结晶过程、凝胶化过程、高分子的相态结构等等方面【l】。 对于高分子材料，当材料断裂时，不同力学性质的材料将形成不同的断面形貌，而断面形貌一般为不 规则形态，是一种近似的或统计意义的分形结构，可用分形理论进行分析表征，从而根据断面的形状定量 island 评价材料的力学性能。断面的分形维数的测定一般用基于几何形状的“小岛法”(slit method)。“小 岛法”中基于规则几何图形的周长L和面积A之间存在如下关系：L—S1忍：基于不规则几何图形的周长￡和 112 面积A之问存在如下关系：L¨DocS +constant，可见分形维数为1nE，一nA曲线斜率的-2倍lz】。 受碳纤维性能和生产成本的影响，PAN基碳纤维是目前碳纤维工业化生产和商业销售的最主要形式， 是应用于增强复合材料的主要高性能纤维，因此其力学性能受到较多的重视。Gilaman研究了脆性固体材 料的理论固有强度。根据他的理论，碳纤维的理论强度可达120GPa左右，而目前市场上强度较高的碳纤 PAN基碳纤维内部和表面存在大量缺陷，如孔洞、裂纹、杂质等等。缺陷的存在会引起应力集中，纤维的 某些局部区域上的应力比其所受到的平均应力大得多。这样，在平均应力还没有达到它的理论强度以前， 局部应力集中区域内的应力首先达到该材料的断裂强度值，材料就从这些区域开始破坏，从而引起宏观的 脆性断裂DJ。 弱节理论对于碳纤维强度和断裂方面的研究是很有意义的。弱节为纤维某一长度位置上的最弱力学性 质的假想断面【4】。弱节理论认为，纤维的断裂只发生在力学性质最弱处，纤维的拉伸性能取决于弱节处的 结构，而非整体的或平均的结构参数。也就是说，纤维断裂处以外的缺陷对于纤维的强度没有多大的影响， 只有最弱的缺陷或缺陷组合，才会引起纤维的断裂【4】。弱节不等同于缺陷，而是包含缺陷结构的碳纤维结 构区。由于断面就是一种弱节结构，因此本文以PAN基碳纤维的断面为主要研究对象，对不同强度的PAN 基碳纤维的断面用扫描电镜(SEM)拍照，把所得的电镜照片用计算机处理分析，再用分形理论对断面的 形貌结构作分形研究，从而得出PAN基碳纤维的强度与其断面分形结构的联系。 1 实验部分 本实验取9根PAN基碳纤维单丝作为试样，按其强度的高低分为3组，分别对不同强度组碳纤维的断面 结构进行分形分析。 538 断面保留： 破纤维埘千脆性纤维，其不仪会在小形变下控生断裂破坏．而且由于冲 oIIM—(p，’“}#I 击振动，可能导致第二次断裂破坏。因此．保留碳纤维的原始断裂端非常重 必．．一， m““ 要。本实验的操作方法为把碳纤维试样用黏结剂固定在纸#上．等黏结剂完 f 全同化后，在碳纤维的表面均匀地沫覆一层油脂．然后将试样#放在拉伸试tlfl-ilr 验仪上，业持固定，沿如图l所示的位置将试样P剪开后开始拉伸。拉伸后将