摘 要 聚丙烯腈基碳纖維國家標準及大部分碳纖維生產(chǎn)商的產(chǎn)品性能列表中，對碳纖維都標示三個力學性能特征指標：拉伸強度，拉伸彈性模量，斷裂伸長率。斷裂伸長率是表征材料塑性的指標，指試件斷裂后殘留下來的永久變形的百分率。碳纖維是脆性材料，斷裂時的變形（應(yīng)變）是可復原的彈性變形，可根據(jù)虎克定律算得。故斷裂伸長率不應(yīng)列為獨立特征指標。國家標準對拉伸強度、拉伸彈性模量指標參數(shù)給定的都是置信區(qū)間（東麗公司是期望值），卻又背離客觀規(guī)律的限定離散系數(shù)。本文根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論分析給定的兩指標參數(shù)不相容，限定置信區(qū)間不甚適宜，區(qū)間寬則離散性大，這些對提高結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟性非常不利。

關(guān)鍵詞 碳纖維；力學性能；斷裂伸長率

Discussions about Mechanical Properties Characteristic of Carbon Fiber in GB/T 26752-2020

ZHANG Shubin1，2， LIU Jin1， XIE Huaiqin1，2

（1.Jiangsu Hengshen Co.， Ltd.， Danyang， 212314， China；2.Harbin Institute of Technology， Harbin， 150001， China）

ABSTRACT There are three mechanic property characteristic indexes for carbon fiber both in GB/T lt; PAN－based carbon fibergt; and most of the carbon fiber product data sheets： tensile strength， tensile modulus and strain at failure. Strain at failure， index to characterize ability of a plastic specimen to resist changes of shape without cracking， is the ratio between increased length and initial length after breakage of the tested specimen. Carbon fiber， as brittle material， its strain at failure is elastic strain and can be calculated by Hook’s law. Therefor it should not be listed as independent characteristic index. Confidence intervals of tensile strength and modulus is given by GB/T lt; PAN－based carbon fibergt; （expected value by Toray’s data sheets）， meanwhile restrict the coefficient of variance subjectively. This paper points out that these two indexes is incompatible. Restriction of confidence interval is improper and have an unfavorable effect on structural reliability and economy， the bigger confidence interval， the higher discreteness.

KEYWORDS carbon fiber；mechanical properties; elongation

1 引言

碳纖維具有比強度、比模量高，耐高溫抗腐蝕等優(yōu)異性能。在航空航天軍工和國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應(yīng)用方興未艾。我國碳纖維工業(yè)近年取得令人欣喜進展，但距國際先進水平尚有相當差距。國家標準（向國際頒布）對研發(fā)與生產(chǎn)的重要意義不言而喻。針對中華人民共和國國家標準GB/T 26752-2020《聚丙烯腈基碳纖維》（以下簡稱國家標準）中部分理論上不十分嚴謹之處，本文提出一家之言，愿與業(yè)內(nèi)人士辨析商榷。

2 碳纖維的斷裂伸長率不適宜列為獨立特征指標

材料力學理論表明：斷裂伸長率是表征材料塑性的指標。工程中用試件斷裂后殘留下來的永久變形（不能回復的塑性變形）來表征［1-3］。

眾所周知，碳纖維是脆性材料，拉伸應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，服從虎克定律實際直到拉伸斷裂時為止，如圖2所示［4］。拉伸斷裂后幾乎沒有塑性變形（材料試驗機測不出）。直線OA的斜率即為彈性模量，E=tanα=σH/εH，表征材料抵抗彈性變形（非塑性變形）的能力。斷裂應(yīng)力即為材料的拉伸強度σH，所對應(yīng)的應(yīng)變εH（斷裂伸長率）是可回復的彈性變形，可根據(jù)虎克定律計算得出。國家標準與日本東麗公司所標識的斷裂伸長率都是如此計算得出的。因此，國家標準不應(yīng)將碳纖維斷裂伸長率列為獨立特征指標。

3 國家標準中的不嚴謹之處

在國標4.1.4節(jié)力學性能分類中，標定的碳纖維力學性能特征指標參數(shù)（拉伸強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率）都是置信區(qū)間，如GQ3522的拉伸強度為3500～＜4500 MPa，拉伸彈性模量為220～＜260 GPa。日本東麗公司標定為均值。

3.1 指標上限用數(shù)學“l(fā)t;”號不妥

小于（lt;），內(nèi)涵概念籠統(tǒng)不精確，此處更不能表征實質(zhì)。如樣本（試件）實測上限為3600 MPa，顯然滿足＜4500 MPa要求，但是樣本置信區(qū)間則為［3500～3600］，顯然不符合性能要求。

3.2 對力學性能的分類悖于數(shù)理統(tǒng)計原理

國家標準對碳纖維拉伸強度、拉伸彈性模量給定置信區(qū)間，同時又主觀地限定離散系數(shù)（拉伸強度不超過6%，拉伸彈性模量不超過3%）［1］。置信區(qū)間與離散系數(shù)指標參數(shù)不相容，與數(shù)理統(tǒng)計原理相悖。

統(tǒng)計特征參數(shù)（平均值、標準差S及Cv值）：［5］

國家標準限定離散系數(shù)Cv=6%，前者為后者3倍。性能參數(shù)的置信區(qū)間（上下限）與離散系數(shù)是基于數(shù)理統(tǒng)計理論的函數(shù)關(guān)系。國家標準既給定置信區(qū)間（此值大則離散大），卻無視客觀函數(shù)關(guān)系而主觀限定離散系數(shù)，有悖數(shù)理統(tǒng)計理論，是不科學的。

結(jié)構(gòu)材料強度是隨機變量。結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計理論，不僅重視量的大小，且要考慮離散程度。提高結(jié)構(gòu)可靠性，降低材料強度離散性是最為有效的［5］。碳纖維是先進復合材料（Advanced Composite Material，ACM）廣為應(yīng)用的增強相。復合材料的許用應(yīng)力由公式（9）確定［6-7］：

假如飛機部件設(shè)計要求材料的可靠性為0.99999，則K為4.26（由表1查得）。若材料的離散系數(shù)為15%，則材料的許用應(yīng)力只有材料平均強度的34%。顯見，降低碳纖維力學性能離散性的重要意義。

4 結(jié)論

（1）國家標準與大多數(shù)碳纖維生產(chǎn)商的產(chǎn)品性能手冊中都把碳纖維力學性能的斷裂伸長率列為特征指標。它是表征材料塑性的指標，而碳纖維是脆性材料，拉伸斷裂時是可回復的彈性變形（無殘留塑性變形），可用虎克定律計算得出。故不應(yīng)將斷裂伸長率列為碳纖維的獨立特征指標。

（2）國家標準對碳纖維拉伸強度與拉伸彈性模量的指標參數(shù)給定的都是置信區(qū)間，卻又無視數(shù)理統(tǒng)計原理主觀地限定離散系數(shù)，兩個指標參數(shù)不相容。給定置信區(qū)間不甚適宜，區(qū)間大，則離散大，不利于結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟性。

參 考 文 獻

［1］聚丙烯腈基碳纖維.中華人民共和國國家標準 GB/T26752-2020.

［2］日本東麗公司碳纖維產(chǎn)品性能列表. https：//www.cf composites.toray/resources/data_sheets/pdf/ds_torayca_yarn.pdf.

［3］趙志崗等編著. 材料力學.天津大學出版社. 2001.

［4］S.鐵摩辛柯. 材料力學.科學出版社. 1964.

［5］張駿華. 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計與分析.宇航出版社. 1989.

［6］復旦大學數(shù)學系.概率論與數(shù)理統(tǒng)計.上?？茖W技術(shù)出版社. 1961.

［7］吳人潔.復合材料.天津大學出版社. 2000.

通訊作者：張淑斌，博士，高級工程師，研究方向為碳纖維及其復合材料。E-mail： zzz－26@163.com