氫氣會對碳纖維強(qiáng)度產(chǎn)生哪些影響？
日期：2019-07-24
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平時我們聊碳纖維的強(qiáng)度，總是認(rèn)為它是一個絕對的值，永遠(yuǎn)不會變。但是可曾想過，在不同的使用環(huán)境下，碳纖維的強(qiáng)度也可能會發(fā)生變化。所以當(dāng)我們設(shè)計碳纖維產(chǎn)品的時候，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，是否還依然堅挺。
其中就有一種環(huán)境必須得說道說道，那就是高壓氫氣環(huán)境。因為現(xiàn)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(shè)計的過程中，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，會發(fā)生什么呢？
韓國釜慶國立大學(xué)的Sang Koo Jeon，就研究了氫氣環(huán)境對碳纖維強(qiáng)度造成的影響。
實驗部分
Sang設(shè)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(jīng)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(dāng)于70個大氣壓的壓力。
評價指標(biāo)呢，也有兩個。一個是平均強(qiáng)度，因為Sang每一個測試都用了30個試樣，來保證數(shù)據(jù)的可靠性，所以強(qiáng)度都是這30個數(shù)據(jù)取平均得來的。另一個指標(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)度分散性的一個指標(biāo)。比如說有一些脆性材料，像陶瓷，測試出來的數(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)來表示它的可靠性如何。
weibull系數(shù)越大，說明強(qiáng)度數(shù)據(jù)越集中，可靠性越高。weibull系數(shù)越小，說明強(qiáng)度數(shù)據(jù)越分散，可靠性越底。
測試結(jié)果
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(xué)性能。對于長度為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(shù)據(jù)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(fā)生斷裂的點越多，造成了強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布范圍較寬。所以，在強(qiáng)度測試的時候，也要注意測試?yán)w維的長度影響問題。
對比CF和ACF的平均強(qiáng)度，對于長度為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，同時可靠性也降低了。因為高溫處理，使ACF碳纖維內(nèi)部含有的缺陷增多，可能發(fā)生斷裂的點增多，斷裂產(chǎn)生也更為復(fù)雜。
接下來重點來了。
像金屬材料，在空氣中測試強(qiáng)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(xiàn)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(jié)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(shù)為8.58/8.47/7.96,平均強(qiáng)度為3.59/3.11/3.08GPa。跟上面說的空氣中數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)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(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(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(xué)表現(xiàn)，就更復(fù)雜了。10mm長度的ACF強(qiáng)度分布和CF相似，不管是有氫氣氛還是沒氫氣氛，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(shù)，表現(xiàn)出非線性。拿20mm的ACF碳纖維來說，也就是對于強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較高的纖維，weibull系數(shù)是15.82，對于強(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ACF碳纖維在高壓氫氣處理后，平均強(qiáng)度有了明顯提升，對于10、20、30mm長度的纖維，ACF的平均強(qiáng)度分別為3.5/2.68/2.27GPa。明顯高于空氣中測得的ACF的強(qiáng)度水平。說明了氫氣讓碳纖維強(qiáng)度更高了。
以上，就是這項研究的全部結(jié)果，希望對你有幫助。
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