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无锡威盛新材料科技有限公司
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阅读：550发布时间：2017-5-10
碳纤维复合材料圆管是碳纤维材料应用中的典型产品，由于在比强度、比模量、线膨胀系数、耐腐蚀性、抗疲劳性和阻尼系数等方面比金属圆管更具优势，业已成为一种重要的结构材料，被广泛用于机械辊轴、高精度检具、光学遥感器、以及各种设备支架等的制造，在轻量化工业装备、无人机、医疗器械、热敏感、体育休闲等领域有着较好的应用前景。
通过卷制工艺生产的碳纤维圆管直径可达到150mm，但是从目前的碳纤维圆管实际消费量看，应用还多集于50mm以内的小口径碳纤维圆管上，在大口径碳纤维圆管的应用比例上偏少。国内外对碳纤维复合材料圆管各项性能的测试研究并不多，对大口径碳纤维圆管更是鲜有涉及，这就导致了很多潜在应用对象对大口径碳纤维圆管在拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度等性能方面持有疑问，缺乏足够的应用信心。本文就针对大口径碳纤维圆管的性能做一分析，希望藉此加速推动大口径碳纤维圆管的应用进程。
拉伸实验
碳纤维管状复合材料在力学表现中zui突出的特点就是各向异性，纤维方向和垂直纤维方向的力学性能*不一样。其拉伸时的载荷-变形曲线不同于低碳钢拉伸那样明显地分为弹性、屈服、颈缩和断裂四个阶段，而是一根接近直线的曲线，但由于其具有基体树脂以及纤维层，故而其破坏形式有断裂和炸裂两种模式。碳纤维管在变形下首先是发生基体断裂，断裂后逐渐开始纤维作用，zui后是纤维断裂。
实验方法：选取无锡威盛新材料科技有限公司生产的壁厚均为1mm、长度为60mm的直径为10mm-150mm的碳纤维圆管各一根，作为实验样品。实验前根据不同的口径分别计算出碳纤管试样的横截面积，然后在拉伸试验机上进行缓慢加载，直到试样断裂，记录其zui大载荷，根据zui大载荷与横截面积的比值求出其强度极限。
弯曲实验
弯曲实验主要是检验材料在弯曲静载荷作用下的性能或行为，适用于测定脆性和低塑性材料的强度指标，同时用挠度表示其塑性能力，是材料工程中一种常用的实验方法。弯曲实验时，试样横截面上的应力应变分布是不均勾的，表面的应力应变zui大，与拉伸实验的应力应变存在较大的差别，这种差别体现在试样横截面上的应力梯度。
弯曲试验依其加载方式的差别可以分成静态和动态两大类。其中静态弯曲试验包括三点弯曲（集中加载）试验和四点弯曲（等弯矩加载）试验两种。本实验通过三点弯曲，无约束支撑，以恒定的加载速率加载，致使试样破坏或达到一定的挠度值。
试验方法：选取无锡威盛新材料科技有限公司生产的壁厚均为1mm、长度为100mm的直径分别为10mm、30mm、60mm、90mm、120mm、150mm的碳纤维圆管各一根作为实验样品。在实验过程中，需要测量并记录施加在试样上的载荷和试样的挠度，分别计算出其弯曲强度、弯曲弹性模量，推断出弯曲应力与应变的关系。碳纤维管弯曲实验时主要承受拉力和压力掌中应力，因此其弯曲性能与拉伸、压缩性能差不多，但由于弯曲实验，大应力区域比拉压实验时小，所以一般弯曲强度比拉伸、压缩强度值较高。
根据由无锡威盛新材料科技有限公司提供的同材质、不同口径的碳纤维圆管的破坏性对比实验，结果表明：直径超过100mm的碳纤维圆管与直径低于30mm的碳纤维圆管在轴心受力下都呈现出良好的线弹性，在遭受破坏时也都呈现出明显的脆性。破坏与口径大小没有直接关联，但与管材的铺层及层间粘结力关联较大，在圆管制造过程中，一旦碳纤维复合材料铺层间的粘结力不够就会导致层间分层的问题，影响到管材的整体性能。
另外，圆管的截面强度也很重要，威盛新材从多年的用户反馈中发现，发生几率较少的几起管材成品件的破坏事件中，其破坏区域多集中在管材与金属接头处，实物分析后推断是金属接头相对于碳纤维圆管太薄的原因造成的。因此，在管材与金属件连接的设计中需要重视这一问题。
总之，在影响碳纤维圆管性能表现的诸种因素中，口径大小并非是直接因素，碳纤维圆管产品在制造过程中，铺层工艺、加工工艺和连接技术才是真正重要的决定性因素。
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