碳纤维微结构与宏观力学性能的关联性

碳纤维的理论拉伸强度为180GPa，弹性模量为1029GPa。实际产品拉伸强度不到10GPa，弹性模量不到720GPa。本课题拟从碳纤维微观构造出发，探索其微观结构特征与宏观力学性能间的内在联系。实验研究碳纤维的组分构成、结晶度、微纤取向、微纤尺寸、d002、孔隙状态、强度、弹性模量等物理量；分析、统计实验数据的统计特性，确定力学性能与微观特征量间的回归曲线，研究各微观特征量对力学性能的影响程度和影响方式，为理论研究提供实验依据。初步研究表明：碳纤维具有微细复合化结构。据此，根据复合材料细观损伤理论进行理论研究，建立碳纤维的微细复合化力学模型和数学模型，给出碳纤维实际力学性能的理论分析方法和计算公式，并对比实验结果，修正理论模型。揭示180GPa与10Gpa之差异的根源，丰富碳纤维的理论研究内容，指导碳纤维生产中的某些工艺参数设计，提高碳纤维质量。

碳纤维复合材料的应用越来越广泛和深入,而碳纤维的力学性能是其复合材料性能的关键因素。本项目对碳纤维的宏观力学性能、微观特性、及其二者的关联性进行了试验研究和理论分析。. 首先确定了碳纤维微观结构参量和宏观力学性能测试分析的有效方法，为碳纤维的系统测试研究提供实验方法，并对35个品牌的碳纤维进行了系统、全面的实验研究，1、为建立强度、刚度等宏观量与微细观结构参量之间的理论关系模型，提供了充足的实验数据，2、为验证理论模型提供了实验保证. . 同时本项目对碳纤维强度、刚度和损伤三个方面进行了宏微观相关性的理论研究： 1. 根据复合材料微观损伤理论，结合碳纤维的微观结构特点，研究碳纤维实际强度与结晶度、取向、孔隙状态等关系，给出了理论分析方法和确定的计算公式，理论计算值与实验结果具有良好的一致性。并以此为基础，提出碳纤维由碳键结合构成大分子面层，并由大分子面层组合形成碳纤维的复杂微观结构模型，由模型假设通过数学统计，得出相应的数学公式，对碳纤维的单根强度给与统计表述，对于大量纤维给与分布描述; 2. 提出了“碳纤维为复合结构”的观点。根据复合材料力学性能的细观力学分析理论及连续纤维增强的单层板理论，结合碳纤维的微观结构特点，找出了影响弹性常数的主要因素，得到了分析方法和计算方法，给出了理论分析方法和确定的计算公式，继而，从细观损伤力学的角度出发，提出一个考虑到微晶、不定型碳以及微孔的综合微观模型; 3. 依据不可逆热力学理论，建立了湿热弹性各向异性损伤复合结构的一般理论, 应用建立损伤本构方程的本构泛函展开法，推导出湿热弹性损伤材料全部本构方程的一般形式, 研究表明，在本构方程中含有若干损伤效应函数，表征损伤对材料宏观力学性能与湿、热性能的影响，其具体形式可由细观力学解答确定，从而使连续损伤力学与细观损伤力学有机结合在一起。. 此外，为了分析变温变湿环境下碳纤维的损伤问题，项目组还初步研究了含损伤复合材料的湿热弹性响应。