一种碳纤维微区相对硬度的测试方法

摘要

本发明公开了一种碳纤维微区相对硬度的测试方法，其特征是：将至少两根不同的碳纤维样品在丙酮中浸泡后烘干，切成小段碳纤维样品；用原子力显微镜并采用高硬度单晶金刚石探针，分别对经过处理的碳纤维样品进行力学测试，测试数据用数据处理软件处理后得到压力——位移曲线关系图，纵坐标代表在碳纤维微观力学分析过程中针尖对碳纤维所施加的压力、单位为纳牛，横坐标代表碳纤维和针尖悬臂在一定线性范围内总的形变量，单位为纳米。通过力曲线的斜率即可以定性表示碳纤维的硬度，硬度越大，则力曲线斜率绝对值越高。本发明为定性评价碳纤维微区相对硬度的大小提供了一种简便易行的评价标准，对研究如何得到高品质、高性能碳纤维具有重要意义。

主权项

一种碳纤维微区相对硬度的测试方法，其特征是：包括下列步骤：a、碳纤维样品除浆：将至少两根不同的碳纤维样品分别放入丙酮中浸泡96h，再于80℃温度下烘干，得到干燥的碳纤维样品；b、将干燥的碳纤维样品分别切成小段，得小段碳纤维样品，备用；c、在用原子力显微镜测试样品前，利用单晶金刚石探针对单晶硅片基底作力曲线定标；d、样品测试及测试数据处理：将小段碳纤维样品置于单晶硅片基底上，用原子力显微镜对小段碳纤维样品在1×1微米²微区范围内利用金刚石探针进行力学测试；样品的测试数据经处理得到碳纤维的压力‑位移曲线关系图，纵坐标代表在碳纤维微观力学分析过程中针尖对碳纤维所施加的压力，单位为纳牛，横坐标代表碳纤维和针尖悬臂在一定线性范围内总的形变量，单位为纳米；不同的小段碳纤维样品经测试及处理分别得到碳纤维的压力‑位移曲线关系图；e、数据分析，公式推导过程如下：测定过程中总形变量为：Z＝Z_tip+δ    (1)式中：Z‑总的形变量；Z_tip‑针尖悬臂的形变量；δ‑碳纤维的形变量；公式进一步表示为：$Z=\frac{F}{K_{\mathrm{tip}}}+\delta ---\left(2\right)$式中：F‑测定过程中的作用力；K_tip‑针尖悬臂的标称力常数；从压力‑位移曲线关系图中读出在受到相同压力F时，不同碳纤维所对应的总形变量Z；将相同的F和不同Z代入公式(2)，测定过程中针尖悬臂的力常数K_tip是不变的，得到两个δ不同的式子，将两式相减，得出δ的大小，即碳纤维的形变量的大小；根据Hertz模型：$\delta ={\left(\frac{F^2}{{\mathrm{RK}}^2}\right)}^{\frac{1}{3}},---\left(3\right)$式中：R‑原子力显微镜探针针尖末端半径，K‑为有效杨氏模量，与针尖和碳纤维的杨氏模量以及泊松比有关，其关系为：$K^{-1}=\frac{3}{4}[\frac{1-{\upsilon }_f^2}{E_f}+\frac{1-{\upsilon }_{\mathrm{tip}}^2}{E_{\mathrm{tip}}}]---\left(4\right)$式中：E_f，υ_f分别为碳纤维的杨氏模量和泊松比，E_tip，υ_tip为针尖的样式模量和泊松比；碳纤维形变量δ的大小与K相关，如果：δ₂<δ₁、则K₂>K₁，则：第二种碳纤维的硬度大于第一种碳纤维的硬度。