平時我們聊碳纖維的強度，總是認為它是一個絕對的值，永遠不會變。但是可曾想過，在不同的使用環境下，碳纖維的強度也可能會發生變化。所以當我們設計碳纖維產品的時候，不但得考慮碳纖維本身強度水平，還要考慮使用環境對強度造成的影響。

 

　　現在有一些學者也在做一些研究，了解不同的環境下碳纖維強度會有那些變化。

 

　　有人研究隨著溫度升高，碳纖維強度有哪些變化。有人研究在極冷的溫度下，碳纖維強度有哪些變化。也有人研究伽馬射線照射之后，碳纖維強度的變化。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境下，是否還依然堅挺。

 

　　其中就有一種環境必須得說道說道，那就是高壓氫氣環境。因為現在有很多儲氫材料要用碳纖維，或者一些儲氫的壓力罐，也要用碳纖維。這樣在設計的過程中，也好做到心里有數，該加強的地方加強，該減弱的地方減弱。

 

　　金屬材料就是一個例子，氫原子很小，滲入到金屬中，造成金屬材料變脆。那么當氫遇到了碳，會發生什么呢？

 

　　韓國釜慶國立大學的Sang Koo Jeon，就研究了氫氣環境對碳纖維強度造成的影響。

 

　　實驗部分

 

　　Sang設計了一系列的試驗，包括兩種碳纖維材料。一種是普通碳纖維（取名CF），一種是經過1950℃熱處理過得碳纖維（取名ACF）。測試的時候，每種碳纖維采用的長度也分為三種，分別是10mm，20mm，30mm的。

 

　　為了研究氫氣對碳纖維的影響，這兩種碳纖維分別在高壓氫氣中放置24小時，壓力是7MPa，相當于70個大氣壓的壓力。

 

　　評價指標呢，也有兩個。一個是平均強度，因為Sang每一個測試都用了30個試樣，來保證數據的可靠性，所以強度都是這30個數據取平均得來的。另一個指標叫Weibull modulus。

 

　　Weibull modulus，又叫韋布爾系數，或者韋布爾模數。叫什么不重要，只要知道它是表示強度分散性的一個指標。比如說有一些脆性材料，像陶瓷，測試出來的數據通常差異比較大，數據分布比較寬。所以，用Weibull系數來表示它的可靠性如何。

 

　　weibull系數越大，說明強度數據越集中，可靠性越高。weibull系數越小，說明強度數據越分散，可靠性越底。

 

 

 

　　先對比一下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ACF碳和氧比例加起來大于100%，我不知道怎么來的，熟悉元素分析的朋友請留言解釋一下。）

 

　　然后研究了普通碳纖維CF和1950℃高溫處理之后的碳纖維ACF力學性能。對于長度為10、20、30mm的碳纖維，CF的weibull系數分別為9.2/9.07/8.84，ACF的weibull系數分別為3.99/3.8/3.63。說明了CF的可靠性是高于ACF碳纖維的。

 

　　而且10、20、30mm長度情況下，纖維越短，得出來的數據分布越窄。Sang給出的解釋是，長度越長，包含的缺陷越多，開始發生斷裂的點越多，造成了強度數據分布范圍較寬。所以，在強度測試的時候，也要注意測試纖維的長度影響問題。

 

　　對比CF和ACF的平均強度，對于長度為10、20、30mm的碳纖維，CF的平均強度分別為3.56/3.07/2.98GPa，ACF的平均強度分別為2.37/1.9/1.47GPa。所以，1950℃的高溫處理對碳纖維造成的影響，主要是強度水平有了50-65%的降幅，同時可靠性也降低了。因為高溫處理，使ACF碳纖維內部含有的缺陷增多，可能發生斷裂的點增多，斷裂產生也更為復雜。

 

　　接下來重點來了。

 

　　像金屬材料，在空氣中測試強度和在惰性氣氛（比如說氬氣）中，并沒有什么不同，但是在氫氣中表現出明顯的脆性。那么這幾種氣氛對碳纖維有什么影響呢？

研究結果顯示，對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，對于10、20、30mm長度的纖維，CF的weibull系數為8.58/8.47/7.96,平均強度為3.59/3.11/3.08GPa。跟上面說的空氣中數據對比，可以發現變化不太大。說明高壓氬氣對CF沒有鳥用，碳纖維依然堅挺。

 

　　那么在高壓氫氣氣氛下，對于10、20、30mm長度的纖維，CF的weibull系數分別為6.06/5.74/5.08。比空氣中的weibull系數有了明顯降低，說明了高壓氫氣降低了CF的可靠性。

 

　　而在高壓氫氣氣氛下，對于10、20、30mm長度的纖維，CF的平均強度分別為3.59/3.12/3.02GPa。比空氣中的weibull系數有了明顯降低，說明了高壓氫氣降低了CF的可靠性。

 

　　那么對于高壓氫氣中，ACF的力學表現，就更復雜了。10mm長度的ACF強度分布和CF相似，不管是有氫氣氛還是沒氫氣氛，weibull系數為5.57。比在空氣中的weibull系數，提高了不少。說明了氫氣提高了10mm的ACF的可靠性。

 

　　而對于20、30mm的ACF碳纖維，它的weibull系數，表現出非線性。拿20mm的ACF碳纖維來說，也就是對于強度數據比較高的纖維，weibull系數是15.82，對于強度數據比較低的纖維，weibull系數是10.22。

 

　　同樣，30mm長度的ACF碳纖維也是分成強度高和強度低兩部分，weibull系數分別為5.31和3.85。

 

　　說明，在高壓氫氣處理之后的ACF，強度高的部分，可靠性更高，強度低的部分，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ACF碳纖維在高壓氫氣處理后，平均強度有了明顯提升，對于10、20、30mm長度的纖維，ACF的平均強度分別為3.5/2.68/2.27GPa。明顯高于空氣中測得的ACF的強度水平。說明了氫氣讓碳纖維強度更高了。

 

　　以上，就是這項研究的全部結果，希望對你有幫助。