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氫氣會(huì)對(duì)碳纖維強(qiáng)度產(chǎn)生性能影響嗎？
發(fā)布時(shí)間：2020-01-09 20:45:36 點(diǎn)擊率：
平時(shí)我們聊碳纖維的強(qiáng)度，總是認(rèn)為它是一個(gè)的值，永遠(yuǎn)不會(huì)變。但是可曾想過(guò)，在不同的使用環(huán)境下，碳纖維的強(qiáng)度也可能會(huì)發(fā)生變化。所以當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)碳纖維產(chǎn)品的時(shí)候，不但得考慮碳纖維本身強(qiáng)度水平，還要考慮使用環(huán)境對(duì)強(qiáng)度造成的影響。
現(xiàn)在有一些學(xué)者也在做一些研究，了解不同的環(huán)境下碳纖維強(qiáng)度會(huì)有那些變化。
有人研究隨著溫度升高，碳纖維強(qiáng)度有哪些變化。有人研究在極冷的溫度下，碳纖維強(qiáng)度有哪些變化。也有人研究伽馬射線照射之后，碳纖維強(qiáng)度的變化。還有酸洗、臭氧腐蝕、硅烷浸泡、氧化、等離子等等，各種手段，照死了拍，看看碳纖維在這些環(huán)境下，是否還依然堅(jiān)挺。
其中就有一種環(huán)境必須得說(shuō)道說(shuō)道，那就是高壓氫氣環(huán)境。因?yàn)楝F(xiàn)在有很多儲(chǔ)氫材料要用碳纖維，或者一些儲(chǔ)氫的壓力罐，也要用碳纖維。這樣在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也好做到心里有數(shù)，該加強(qiáng)的地方加強(qiáng)，該減弱的地方減弱。
金屬材料就是一個(gè)例子，氫原子很小，滲入到金屬中，造成金屬材料變脆。那么當(dāng)氫遇到了碳，會(huì)發(fā)生什么呢？
韓國(guó)釜慶國(guó)立大學(xué)的Sang Koo Jeon，就研究了氫氣環(huán)境對(duì)碳纖維強(qiáng)度造成的影響。
實(shí)驗(yàn)部分
Sang設(shè)計(jì)了一系列的試驗(yàn)，包括兩種碳纖維材料。一種是普通碳纖維（取名CF），一種是經(jīng)過(guò)1950℃熱處理過(guò)得碳纖維（取名ACF）。測(cè)試的時(shí)候，每種碳纖維采用的長(zhǎng)度也分為三種，分別是10mm，20mm，30mm的。
為了研究氫氣對(duì)碳纖維的影響，這兩種碳纖維分別在高壓氫氣中放置24小時(shí)，壓力是7MPa，相當(dāng)于70個(gè)大氣壓的壓力。
評(píng)價(jià)指標(biāo)呢，也有兩個(gè)。一個(gè)是平均強(qiáng)度，因?yàn)镾ang每一個(gè)測(cè)試都用了30個(gè)試樣，來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性，所以強(qiáng)度都是這30個(gè)數(shù)據(jù)取平均得來(lái)的。另一個(gè)指標(biāo)叫Weibull
modulus。
Weibull
modulus，又叫韋布爾系數(shù)，或者韋布爾模數(shù)。叫什么不重要，只要知道它是表示強(qiáng)度分散性的一個(gè)指標(biāo)。比如說(shuō)有一些脆性材料，像陶瓷，測(cè)試出來(lái)的數(shù)據(jù)通常差異比較大，數(shù)據(jù)分布比較寬。所以，用Weibull系數(shù)來(lái)表示它的可靠性如何。
weibull系數(shù)越大，說(shuō)明強(qiáng)度數(shù)據(jù)越集中，可靠性越高。weibull系數(shù)越小，說(shuō)明強(qiáng)度數(shù)據(jù)越分散，可靠性越底。
測(cè)試結(jié)果
首先對(duì)比一下CF和ACF兩種碳纖維的元素含量。普通碳纖維CF的碳和氧含量分別是76%和21%，1950℃處理過(guò)的碳纖維ACF碳含量和氧含量，分別是99%和3%。很明顯，高溫處理之后，碳元素含量提高了。（不過(guò)ACF碳和氧比例加起來(lái)大于100%，我不知道怎么來(lái)的，熟悉元素分析的朋友請(qǐng)留言解釋一下。）
然后研究了普通碳纖維CF和1950℃高溫處理之后的碳纖維ACF力學(xué)性能。對(duì)于長(zhǎng)度為10、20、30mm的碳纖維，CF的weibull系數(shù)分別為9.2/9.07/8.84，ACF的weibull系數(shù)分別為3.99/3.8/3.63。說(shuō)明了CF的可靠性是高于ACF碳纖維的。
而且10、20、30mm長(zhǎng)度情況下，纖維越短，得出來(lái)的數(shù)據(jù)分布越窄。Sang給出的解釋是，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，包含的缺陷越多，開(kāi)始發(fā)生斷裂的點(diǎn)越多，造成了強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布范圍較寬。所以，在強(qiáng)度測(cè)試的時(shí)候，也要注意測(cè)試?yán)w維的長(zhǎng)度影響問(wèn)題。
對(duì)比CF和ACF的平均強(qiáng)度，對(duì)于長(zhǎng)度為10、20、30mm的碳纖維，CF的平均強(qiáng)度分別為3.56/3.07/2.98GPa，ACF的平均強(qiáng)度分別為2.37/1.9/1.47GPa。所以，1950℃的高溫處理對(duì)碳纖維造成的影響，主要是強(qiáng)度水平有了50-65%的降幅，同時(shí)可靠性也降低了。因?yàn)楦邷靥幚恚笰CF碳纖維內(nèi)部含有的缺陷增多，可能發(fā)生斷裂的點(diǎn)增多，斷裂產(chǎn)生也更為復(fù)雜。
接下來(lái)重點(diǎn)來(lái)了。
像金屬材料，在空氣中測(cè)試強(qiáng)度和在惰性氣氛（比如說(shuō)氬氣）中，并沒(méi)有什么不同，但是在氫氣中表現(xiàn)出明顯的脆性。那么這幾種氣氛對(duì)碳纖維有什么影響呢？
研究結(jié)果顯示，對(duì)CF和ACF，氣氛的影響是不同的，需要分別闡述。
研究結(jié)果顯示，對(duì)CF和ACF，氣氛的影響是不同的，需要分別闡述。
在高壓氬氣的氣氛下，對(duì)于10、20、30mm長(zhǎng)度的纖維，CF的weibull系數(shù)為8.58/8.47/7.96,平均強(qiáng)度為3.59/3.11/3.08GPa。跟上面說(shuō)的空氣中數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)變化不太大。說(shuō)明高壓氬氣對(duì)CF沒(méi)有鳥(niǎo)用，碳纖維依然堅(jiān)挺。
那么在高壓氫氣氣氛下，對(duì)于10、20、30mm長(zhǎng)度的纖維，CF的weibull系數(shù)分別為6.06/5.74/5.08。比空氣中的weibull系數(shù)有了明顯降低，說(shuō)明了高壓氫氣降低了CF的可靠性。
而在高壓氫氣氣氛下，對(duì)于10、20、30mm長(zhǎng)度的纖維，CF的平均強(qiáng)度分別為3.59/3.12/3.02GPa。比空氣中的weibull系數(shù)有了明顯降低，說(shuō)明了高壓氫氣降低了CF的可靠性。
那么對(duì)于高壓氫氣中，ACF的力學(xué)表現(xiàn)，就更復(fù)雜了。10mm長(zhǎng)度的ACF強(qiáng)度分布和CF相似，不管是有氫氣氛還是沒(méi)氫氣氛，weibull系數(shù)為5.57。比在空氣中的weibull系數(shù)，提高了不少。說(shuō)明了氫氣提高了10mm的ACF的可靠性。
而對(duì)于20、30mm的ACF碳纖維，它的weibull系數(shù)，表現(xiàn)出非線性。拿20mm的ACF碳纖維來(lái)說(shuō)，也就是對(duì)于強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較高的纖維，weibull系數(shù)是15.82，對(duì)于強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較低的纖維，weibull系數(shù)是10.22。
同樣，30mm長(zhǎng)度的ACF碳纖維也是分成強(qiáng)度高和強(qiáng)度低兩部分，weibull系數(shù)分別為5.31和3.85。
說(shuō)明，在高壓氫氣處理之后的ACF，強(qiáng)度高的部分，可靠性更高，強(qiáng)度低的部分，可靠性較低。
ACF！你的精神如此分裂，讓研究人員情何以堪？
不過(guò)ACF碳纖維在高壓氫氣處理后，平均強(qiáng)度有了明顯提升，對(duì)于10、20、30mm長(zhǎng)度的纖維，ACF的平均強(qiáng)度分別為3.5/2.68/2.27GPa。明顯高于空氣中測(cè)得的ACF的強(qiáng)度水平。說(shuō)明了氫氣讓碳纖維強(qiáng)度更高了。
以上，就是這項(xiàng)研究的全部結(jié)果，希望對(duì)你有幫助。
來(lái)自：蒂森新材料
