一种用于确定碳纤维平面剪切模量的实验方法

《COMPOSITES PART B-ENGINEERING》：An experimental method for determining the in-plane shear modulus of carbon fibres

碳纤维横向剪切模量测定新方法及实验研究，提出基于复合材料层压片直接剪切测试的无模型实验方法，测得PAN基碳纤维横向剪切模量范围为23.3-29.2 GPa，较E玻璃低15%-20%，且不同模量等级纤维间无显著差异。数值分析表明纤维间距影响小于5%。

　　在复合材料领域，碳纤维因其轻质和高强度、高刚度的特性，被广泛用于需要兼顾轻量化与性能的工程应用中。然而，由于碳纤维直径极小且表现出高度的各向异性，直接测量其面内剪切模量一直是一项具有挑战性的任务。目前，传统方法如微机械测试或通过均质化模型进行间接推断，往往受到不一致结果或强假设的影响。为了解决这一问题，本研究提出了一种无需均质化模型的新型实验方法，用于直接测定碳纤维的面内剪切模量。

本研究基于对连续碳纤维复合材料层的常规面内剪切测试，通过分析这些测试数据，能够提取出碳纤维的面内剪切模量。该方法被应用于多种基于聚丙烯腈（PAN）前驱体的碳纤维（标准模量、中间模量和高模量），并以E玻璃纤维作为参考。研究结果表明，碳纤维的面内剪切模量范围在23至29 GPa之间，比E玻璃纤维低约15%至20%。此外，不同碳纤维等级之间的剪切模量差异并不显著，这表明它们在面内剪切行为上具有较高的相似性。

本研究通过数值分析具有随机纤维排列的代表性体积单元（RVE），进一步探讨了复合材料微观结构对剪切模量的影响。结果显示，纤维间距对提取的剪切模量具有可测量但有限的影响（小于5%），这意味着即使存在一定的微观结构差异，这种影响也不足以改变碳纤维剪切模量的总体趋势。因此，该方法不仅易于实施，而且具有良好的可重复性，为实验测定碳纤维这一关键机械性能提供了可靠的途径。

该方法具有广泛的适用性，可用于纤维设计优化、微机械模型验证，以及预测复合材料层的剪切响应，以辅助压缩强度的估算。实验过程包括对不同类型的碳纤维和E玻璃纤维进行测试，以确保数据的可靠性和一致性。在测试过程中，所有可能影响结果的参数（如树脂含量、固化条件、纤维体积分数等）均保持恒定，仅改变纤维类型，从而减少外部因素对实验结果的干扰。

在材料和方法部分，本研究使用了一种商业环氧树脂736LT作为基体材料，并采用不同类型的碳纤维和E玻璃纤维进行测试。为了确保实验的准确性，测试样品的体积分数被严格控制在34%±1%（E玻璃纤维为22%±1%）。通过将样品切割成特定尺寸并进行低应变范围的测试，可以有效避免粘弹性效应对结果的影响。测试数据通过图像分析和数值模拟进行处理，以确定纤维的排列特征和剪切模量。

研究结果表明，碳纤维的面内剪切模量比E玻璃纤维低15%至20%。这一发现与已有文献中的部分结果相符，但也有部分研究报告了显著不同的值，这可能与所采用的均质化模型或实验方法有关。例如，某些基于分子动力学模拟的研究报告了接近27 GPa的剪切模量，而另一些通过纳米压痕测试得到的值则显著偏低，甚至低于10 GPa。这些结果的差异引发了对实验方法和模型选择的进一步讨论。

此外，研究还发现，碳纤维的面内剪切模量与它们的拉伸模量之间没有明显的等级关系。也就是说，标准模量（SM）、中间模量（IM）和高模量（HM）碳纤维的剪切模量差异并不显著，这与它们的拉伸模量所形成的等级体系不同。这一发现对于理解碳纤维的机械行为具有重要意义，因为它表明剪切模量可能不是评估纤维性能的最佳指标。

为了进一步验证这些结果，研究还对不同纤维类型的复合材料进行了数值模拟。通过模拟具有不同纤维间距的微观结构，研究者发现当纤维间距足够大时，剪切模量趋于稳定，不再受到间距变化的影响。这一现象表明，纤维之间的距离对剪切模量的影响是有限的，且主要体现在纤维间距较小时。当间距增加到一定程度后，剪切模量不再随间距变化而显著改变，这可能是因为此时纤维间的应力集中效应已经减弱。

本研究还讨论了不同实验方法和模型对剪切模量测量结果的影响。例如，基于均质化模型的计算方法可能因模型的不同而产生显著的差异。因此，采用一种直接且模型无关的实验方法，能够提供更可靠和一致的结果。此外，研究还指出，某些实验方法如纳米压痕测试和原子力显微镜（AFM）测试，可能由于测量条件的不同，导致剪切模量的显著偏差。例如，纳米压痕测试主要关注压缩行为，而压缩过程中石墨烯层的屈曲效应可能导致拉伸模量的显著降低，从而影响剪切模量的测量。

总的来说，本研究提供了一种可靠且模型无关的方法，用于直接测定碳纤维的面内剪切模量。通过将复合材料层的剪切模量与已知的E玻璃纤维剪切模量进行比较，研究者能够计算出碳纤维的剪切模量，并验证了其与纤维间距和体积分数之间的关系。这一方法不仅为碳纤维的机械性能研究提供了新的思路，也为复合材料的设计和建模提供了重要的实验依据。