[发明专利]适于2500℃以上的碳纤维拉伸性能测试试样制备及测试方法

说明书

本发明公开了一种适于2500℃以上碳纤维拉伸性能的测试试样制备方法，以碳纤维棒或碳纤维束作为待测样品，首先将待测样品两端的夹持区域进行形状改造，形成具有大表面积且不易拉脱的柱锥状夹持段，然后进行柱锥状夹持段的复合材料化，获得高强度且不易压溃的碳/碳复合材料柱锥状夹持段，最后通过与柱锥状夹持段匹配度高、夹具可通用的辅助夹持工装夹持柱锥状夹持段，得到碳纤维拉伸性能测试试样；本发明进而基于碳纤维拉伸性能测试试样提出了一种拉伸性能测试方法。本发明能够有效解决碳纤维试样在超高温下容易拉脱、压溃、不在测试段断裂、制样周期长的问题，实现了超高温领域碳纤维材料的拉伸测试。

技术领域

本发明涉及一种适于2500℃以上碳纤维拉伸性能测试的试样制备方法以及碳纤维拉伸性能测试方法，属于纤维材料超高温拉伸性能测试领域。

背景技术

碳/碳复合材料是一种具有超高温高力学承载特性的热结构材料，是决定航天航天飞行器性能极限的关键材料，随着科学技术的快速发展，碳/碳复合材料所面临的使用温度逐渐升高(＞2500℃)，性能需求日益严格，服役环境愈发苛刻。碳纤维作为碳/碳复合材料的增强体，是复合材料的重要承载单元，也是决定复合材料高温力学性能优劣的关键，获取和研究其在超高温下的拉伸性能，可以优化超高温用碳/碳复合材料的工艺方案，探索碳/碳复合材料的耐温极限和力学承载极限，提升对碳纤维材料力学性能的认知。

由于碳纤维在高温环境下难以保持集束状态，在现有的测试技术中针对高温力学测试大多采用碳纤维单丝作为研究对象。而碳纤维单丝的直径较小(＜10μm)，测试过程中试样的制备、夹持、加热和数据获取等测试步骤都存在较大难度，且碳纤维单丝的比表面积较大，在高温环境下更易发生氧化和升华，影响材料性能数据的准确获取。尤其是针对更高温度(＞2500℃)环境下力学性能的测试，上述问题都将造成测试难度升级，因此目前尚未见2500℃以上碳纤维单丝的力学性能报道。航天材料及工艺研究所在申请号为202110023861.1的发明专利中提出了一种以碳纤维束丝作为测试对象的高温力学性能测试方法，该方法可以有效避免单丝试样带来的上述问题。通过化学气相沉积法在碳纤维束表面制备热解碳覆层使碳纤维集束形成纤维棒，并对纤维棒两端进行强化和致密化，设计相匹配的耐高温加强片，获得了最高2500℃碳纤维的拉伸性能数据。但是由于碳纤维棒的直径较小(＜1mm)、形状不够均匀规则、横向抗压缩和剪切能力较弱，当进行更高温度(＞2500℃)环境下的拉伸性能测试时，存在易于拉脱和压溃、试样受力不均匀、配套夹具设计加工难度大的问题。此外，在制备试样时对碳纤维棒两端进行致密和增强时需要通过多轮次的树脂固化-碳化-高温处理工艺，制备周期较长。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种适于2500℃以上碳纤维拉伸性能的测试试样制备方法，以碳纤维棒或碳纤维束作为待测样品，首先将待测样品两端的夹持区域进行形状改造，形成具有大表面积且不易拉脱的柱锥状夹持段，然后进行柱锥状夹持段的复合材料化，获得高强度且不易压溃的碳/碳复合材料柱锥状夹持段，最后通过与柱锥状夹持段匹配度高、夹具可通用的辅助夹持工装夹持柱锥状夹持段，得到碳纤维拉伸性能测试试样；本发明进而基于碳纤维拉伸性能测试试样提出了一种拉伸性能测试方法。本发明能够有效解决碳纤维试样在超高温下容易拉脱、压溃、不在测试段断裂、制样周期长的问题，实现了超高温领域碳纤维材料的拉伸测试。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种适于2500℃以上的碳纤维拉伸性能测试试样制备方法，包括如下步骤：

(1)以碳纤维束或碳纤维棒作为待测样品，将待测样品两端用于与辅助夹持工装配合的区域作为夹持段，对所述夹持段进行处理，得到柱锥状夹持段；待测样品每一端的柱锥状夹持段包括圆柱段和圆锥段；

(2)使树脂与柱锥状夹持段进行复合，得到复合材料化的柱锥状夹持段；

(3)使辅助夹持工装夹持复合材料化的柱锥状夹持段，得到待测样品与辅助夹持工装一体化的碳纤维拉伸性能测试试样；