通過增加國產T800碳纖維的直徑來提高碳纖維復合材料的壓拉平衡性
中科院寧波材料所高性能碳纖維及其復合材料團隊（原中科院寧波材料所特種纖維事業部，以下簡稱“碳纖維團隊”）成立于2008年，專注于高性能碳纖維國產化技術研發，經過十余年發展，團隊已先后突破國產T800級、T1000級高強中模碳纖維關鍵制備技術，國產M40J、M50J、M55J、M60J、M65J級高模碳纖維關鍵制備技術，以及國產M30X、M40X型新型高強高模碳纖維關鍵技術（閱讀原文）。
在傳統碳纖維制備技術基礎上，碳纖維團隊利用現有高性能碳纖維柔性化制備平臺可為客戶提供定制化服務，如為了滿足客戶提高碳纖維復合材料壓拉比（壓縮強度與拉伸強度比值）的需求，開發出與市場上現有T800碳纖維差別較大纖維，該纖維在保持T800級碳纖維主體性能指標基礎上，纖維直徑增加了16%，使用該粗直徑規格國產T800碳纖維制備得到復合材料壓拉比獲得大幅提升。
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碳纖維復合材料的壓拉比
壓拉比是表征碳纖維增強樹脂基復合材料的壓拉平衡的一項重要指標，它是指碳纖維復合材料壓縮強度與拉伸強度比值。表1為日本東麗碳纖維增強樹脂基復合材料主體性能及壓拉比。
表1 日本東麗碳纖維復合材料性能及壓拉比
從上表1可以看出，東麗T300級碳纖維復合材料拉伸強度及壓縮強度較低，但是卻具有高的壓拉比0.79，T700、T800等碳纖維增強復合材料拉伸強度雖然獲得大幅提升，但是壓縮強度增加不明顯，導致復合材料壓拉比逐漸下降。
由于碳纖維復合材料壓縮強度、壓拉平衡性能偏低，導致碳纖維復合材料構件受壓縮載荷時易于發生破壞，從而嚴重限制其應用，為此如何提升碳纖維復合材料壓拉比成為近年來研究熱點之一。
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國產T800碳纖維直徑調控
碳纖維團隊在國產高強中模碳纖維研制過程中實現了碳纖維直徑的柔性控制，制備得到不同直徑規格的國產T800級高強中模碳纖維。
依據 Weibull 弱鏈接理論， 纖維拉伸斷裂出現在大缺陷處，纖維尺寸越大，出現較大缺陷概率也隨之增高，因而纖維直徑越細，碳纖維拉伸強度越高。為何不同纖維直徑獲得的碳纖維力學性能相近，碳纖維團隊科研人員針對其機制開展了研究。
研究先圍繞纖維的力學性能展開，碳纖維團隊研制的兩種不同直徑規格T800級碳纖維NBF1、NBF2的拉伸強度與拉伸模量均略高于日本東麗T800碳纖維實測性能。
采用掃描電子顯微鏡截面測量方法對不同纖維直徑進行了測試，同時與理論計算直徑進行了對比，研究發現碳纖維團隊研制NBF2纖維直徑實測值高達6.31μm，相比東麗T800碳纖維提高了16%。
隨后詳細研究了纖維直徑與微觀結構關聯性，隨著直徑的增大， 碳纖維單絲壓縮強度的變化趨勢與基面寬度 La 基本一致， 均先減小后增大。
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粗直徑T800碳纖維復合材料的壓拉比
表 4 為大直徑與常規直徑國產高強中模型碳纖維的復合材料性能。從表中可以看出，粗直徑國產碳纖維增強復合材料的壓縮強度高達1718MPa，較常規直徑規格碳纖維復合材料性能明顯提升，而且也優于東麗T800碳纖維復合材料壓縮強度的1570MPa。
經計算，國產粗直徑T800碳纖維增強復合材料壓拉比已經達到0.86，與表1中日本東麗復合材料相比，國產粗直徑T800碳纖維復合材料壓拉比均高于現有材料體系。
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結束語
目前碳纖維團隊通過發改委工程實驗室、高性能碳纖維產業化技術浙江省工程實驗室等平臺形成了完全自主的高性能碳纖維知識產權體系，可以為目標客戶提供定制化產品。
碳纖維團隊研發的粗直徑國產T800碳纖維、新型M40X高強高模碳纖維等在完成纖維制備和小批量生產基礎上，均獲得用戶單位復合材料優異的應用評價，也誠邀有定制化需求的客戶洽談合作。
