摘要
碳纤维增强复合材料具有轻质、比强度高、比模量大等优异的力学特性，因此被广泛应用于航空航天、交通运输等领域。碳纤维在微米级尺度下所表现出的多晶乱层石墨结构使其具有复杂的拉伸失效机理。因此，针对碳纤维在拉伸载荷作用下的失效机理及其影响因素这个问题，本文通过实验表征和数值模拟相结合的方式进行了相关研究。 首先，通过XRD、SAXS和SEM测试方法对五种不同类型的碳纤维进行了实验表征，得到了其微晶和微孔的相关参数及表面形貌特征。结合不同类型碳纤维的微观结构特征与宏观力学性能，发现弹性模量越大的碳纤维拥有更大的微晶基面宽度、微晶堆砌厚度及微晶体积分数。 其次，基于实验表征结果建立了包含微晶、微孔及无定形碳在内的仿真模型，并通过分子动力学方法模拟了微观结构的演化过程。结果发现，在碳纤维中强度最高的部分是微晶区域，而微晶与无定形碳的衔接部分最易发生失效。通过模拟得到的应力-应变曲线可发现，基于体积分数建立的模型适用于计算聚丙烯腈基碳纤维的弹性模量，而含缺陷的碳纤维石墨晶体模型则预测中间相沥青基碳纤维的弹性模量更加精准。这说明聚丙烯腈基碳纤维无定形碳的碳原子以sp3杂化居多，而中间相沥青基碳纤维的无定形碳中sp2杂化的碳原子更多。 最后，采用控制变量方法来研究仿真模型中单一微观结构参数对碳纤维拉伸力学性能的影响。研究发现，碳纤维弹性模量与微晶尺寸大小无关联，但其会随着微晶体积分数的增加而增大，且二者呈现出明显的线性关系。此外微晶取向度的增加也会导致碳纤维弹性模量的增大，而取向度接近90°时，弹性模量的变化会逐渐减缓。 通过以上研究，模拟了碳纤维微观结构的拉伸失效过程，建立了碳纤维不同微观结构参数与拉伸力学性能之间的联系。为生产企业改进碳纤维的制备工艺以提升力学性能提供了科学依据。
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