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氢气会对碳纤维强度产生哪些影响?
发布日期:2019-07-24  来源:碳纤维研习社  浏览次数:254
 
  平时我们聊维的强度,总是认为它是一个绝对的值,永远不会变。但是可曾想过,在不同的使用环境下,碳纤维的强度也可能会发生变化。所以当我们设计碳纤维产品的时候,不但得考虑碳纤维本身强度水平,还要考虑使用环境对强度造成的影响。
 
  现在有一些学者也在做一些研究,了解不同的环境下碳纤维强度会有那些变化。
 
  有人研究随着温度升高,碳纤维强度有哪些变化。有人研究在极冷的温度下,碳纤维强度有哪些变化。也有人研究伽马射线照射之后,碳纤维强度的变化。还有酸洗、臭氧腐蚀、硅烷浸泡、氧化、等离子等等,各种手段,照死了拍,看看碳纤维在这些环境下,是否还依然坚挺。
 
  其中就有一种环境必须得说道说道,那就是高压氢气环境。因为现在有很多储氢材料要用碳纤维,或者一些储氢的压力罐,也要用碳纤维。这样在设计的过程中,也好做到心里有数,该加强的地方加强,该减弱的地方减弱。
 
  金属材料就是一个例子,氢原子很小,渗入到金属中,造成金属材料变脆。那么当氢遇到了碳,会发生什么呢?
 
  韩国釜庆国立大学的Sang Koo Jeon,就研究了氢气环境对碳纤维强度造成的影响。
 
  实验部分
 
  Sang设计了一系列的试验,包括两种碳纤维材料。一种是普通碳纤维(取名CF),一种是经过1950℃热处理过得碳纤维(取名ACF)。测试的时候,每种碳纤维采用的长度也分为三种,分别是10mm,20mm,30mm的。
 
  为了研究氢气对碳纤维的影响,这两种碳纤维分别在高压氢气中放置24小时,压力是7MPa,相当于70个大气压的压力。
 
  评价指标呢,也有两个。一个是平均强度,因为Sang每一个测试都用了30个试样,来保证数据的可靠性,所以强度都是这30个数据取平均得来的。另一个指标叫Weibull modulus。
 
  Weibull modulus,又叫韦布尔系数,或者韦布尔模数。叫什么不重要,只要知道它是表示强度分散性的一个指标。比如说有一些脆性材料,像陶瓷,测试出来的数据通常差异比较大,数据分布比较宽。所以,用Weibull系数来表示它的可靠性如何。
 
  weibull系数越大,说明强度数据越集中,可靠性越高。weibull系数越小,说明强度数据越分散,可靠性越底。
 
  测试结果
 

 
  首先对比一下CF和ACF两种碳纤维的元素含量。普通碳纤维CF的碳和氧含量分别是76%和21%,1950℃处理过的碳纤维ACF碳含量和氧含量,分别是99%和3%。很明显,高温处理之后,碳元素含量提高了。(不过ACF碳和氧比例加起来大于100%,我不知道怎么来的,熟悉元素分析的朋友请留言解释一下。)
 
  然后研究了普通碳纤维CF和1950℃高温处理之后的碳纤维ACF力学性能。对于长度为10、20、30mm的碳纤维,CF的weibull系数分别为9.2/9.07/8.84,ACF的weibull系数分别为3.99/3.8/3.63。说明了CF的可靠性是高于ACF碳纤维的。
 
  而且10、20、30mm长度情况下,纤维越短,得出来的数据分布越窄。Sang给出的解释是,长度越长,包含的缺陷越多,开始发生断裂的点越多,造成了强度数据分布范围较宽。所以,在强度测试的时候,也要注意测试纤维的长度影响问题。
 
  对比CF和ACF的平均强度,对于长度为10、20、30mm的碳纤维,CF的平均强度分别为3.56/3.07/2.98GPa,ACF的平均强度分别为2.37/1.9/1.47GPa。所以,1950℃的高温处理对碳纤维造成的影响,主要是强度水平有了50-65%的降幅,同时可靠性也降低了。因为高温处理,使ACF碳纤维内部含有的缺陷增多,可能发生断裂的点增多,断裂产生也更为复杂。
 
  接下来重点来了。
 
  像金属材料,在空气中测试强度和在惰性气氛(比如说氩气)中,并没有什么不同,但是在氢气中表现出明显的脆性。那么这几种气氛对碳纤维有什么影响呢?

研究结果显示,对CF和ACF,气氛的影响是不同的,需要分别阐述。
 
  在高压氩气的气氛下,对于10、20、30mm长度的纤维,CF的weibull系数为8.58/8.47/7.96,平均强度为3.59/3.11/3.08GPa。跟上面说的空气中数据对比,可以发现变化不太大。说明高压氩气对CF没有鸟用,碳纤维依然坚挺。
 
  那么在高压氢气气氛下,对于10、20、30mm长度的纤维,CF的weibull系数分别为6.06/5.74/5.08。比空气中的weibull系数有了明显降低,说明了高压氢气降低了CF的可靠性。
 
  而在高压氢气气氛下,对于10、20、30mm长度的纤维,CF的平均强度分别为3.59/3.12/3.02GPa。比空气中的weibull系数有了明显降低,说明了高压氢气降低了CF的可靠性。
 
  那么对于高压氢气中,ACF的力学表现,就更复杂了。10mm长度的ACF强度分布和CF相似,不管是有氢气氛还是没氢气氛,weibull系数为5.57。比在空气中的weibull系数,提高了不少。说明了氢气提高了10mm的ACF的可靠性。
 
  而对于20、30mm的ACF碳纤维,它的weibull系数,表现出非线性。拿20mm的ACF碳纤维来说,也就是对于强度数据比较高的纤维,weibull系数是15.82,对于强度数据比较低的纤维,weibull系数是10.22。
 
  同样,30mm长度的ACF碳纤维也是分成强度高和强度低两部分,weibull系数分别为5.31和3.85。
 
  说明,在高压氢气处理之后的ACF,强度高的部分,可靠性更高,强度低的部分,可靠性较低。
 
  ACF!你的精神如此分裂,让研究人员情何以堪?
 
  不过ACF碳纤维在高压氢气处理后,平均强度有了明显提升,对于10、20、30mm长度的纤维,ACF的平均强度分别为3.5/2.68/2.27GPa。明显高于空气中测得的ACF的强度水平。说明了氢气让碳纤维强度更高了。
 
  以上,就是这项研究的全部结果,希望对你有帮助。
 
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