碳纖維複合材料在高溫下強度和剛度降低的具体機制是什麼？

碳纖維複合材料高溫下強度與剛度降低的具體機制

碳纖維複合材料因其輕量化和高強度特性而被廣泛應用，但在高溫環境下，其強度和剛度會顯著下降。這種性能衰退涉及多重複雜的機制，主要與基體材料的特性變化有關。

基體材料的軟化與分解

碳纖維複合材料通常使用聚合物作為基體，例如環氧樹脂。在高溫下，這些聚合物基體會發生軟化，導致其支撐碳纖維的能力下降。當溫度接近或超過基體的玻璃轉化溫度 (Tg) 時，基體的剛度和強度會急劇降低，使得複合材料整體的承載能力受到限制。此外，高溫還可能導致基體材料發生熱分解，產生揮發性物質，進一步削弱材料的結構完整性。

熱膨脹不匹配引起的應力

碳纖維和基體材料通常具有不同的熱膨脹係數。在高溫環境下，這種差異會導致界面處產生顯著的熱應力。如果熱應力超過了界面結合強度，就可能引發分層或微裂紋，從而降低複合材料的整體力學性能。這種熱膨脹不匹配效應在高溫循環過程中會更加明顯，反覆的熱脹冷縮會加速材料的損傷累積。

碳纖維氧化的影響

雖然碳纖維本身具有較高的耐熱性，但在極端高溫和氧化環境下，碳纖維表面也可能發生氧化。這種氧化過程會導致碳纖維的強度下降，並影響其與基體之間的結合。特別是在長期高溫暴露下，碳纖維的氧化會顯著降低複合材料的耐久性。因此，對碳纖維進行適當的表面處理，以提高其抗氧化能力，是維持複合材料高溫性能的重要措施。