PAN基碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能相關(guān)性分析

1、PAN基碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能相關(guān)性分析姓名S3151000統(tǒng)計顯示，2004年全國碳纖維用量為4000噸左右，2005年用量在5000噸左右，年增長率20%以上，其中我國碳纖維用量的95%依賴進(jìn)口高強度PAN（聚丙烯晴）基碳纖維已經(jīng)從T300（拉伸強度約為3.0GPa、拉伸模量約為230GPa）經(jīng)過T400H、T700S、T800H逐步發(fā)展到T1000G（拉伸強度7.06GPa、拉伸模量約300GPa）根據(jù)原子間結(jié)合力模型，計算出碳纖維的理論拉伸強度可以達(dá)到184GPa，理論拉伸模量可以達(dá)到1020GPa，目前世界上最好的碳纖維強度不足理論值的5%，實際碳纖維模量只能達(dá)到理論值的67.7

2、%碳纖維概述石墨化階段預(yù)氧化階段碳化階段在惰性環(huán)境中加熱至1800 ，進(jìn)一步脫去N、O等非碳元素形成碳纖維在2000-3000 下石墨化化，進(jìn)一步提高性能在200-300氧化環(huán)境中，使聚丙烯晴環(huán)化脫氫，放出NH3、CO2、H2O、HCN等PAN原絲制備碳纖維的過程SampleTensilestrength /GPaTensileModulus /GPaElongation/%Density /( g /cm3 )Diameter /mT3003 532301 51 768 0T700S4 902302 11 807 3T800H5 492941 91 815 3本研究選取的三種PAN 基碳纖維

3、T300，T700S 和T800H 的出廠性能指標(biāo)掃描電子顯微鏡X 射線衍射儀小角X射線散射儀表面形貌、斷口形貌石墨微晶結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)差異力學(xué)性能=三種實驗儀器表面形貌分析T300和T800H的表面有沿纖維軸向的溝槽形貌，說明它們由濕紡工藝制備T800H的表面溝槽比T300的更淺、寬窄更均勻而且平行度更好。T700S的表面比較光滑，只有絲絲縷縷的紋理，與T300 和T800H 截然不同三種碳纖維的表面形貌（a）：T300（b）：T700S（c）：T800H碳纖維的表面溝槽形貌來源于其前驅(qū)體原絲，是濕法紡絲過程中徑向收縮表皮塌陷的結(jié)果所以碳纖維表面溝槽的深度、寬度和平行度，直接反映出其前驅(qū)

4、體原絲內(nèi)部原纖的直徑、沿軸向取向度和致密性等結(jié)構(gòu)信息所以T800H 的前驅(qū)體原絲結(jié)構(gòu)比T300原纖更細(xì)、更均勻、排列更致密、取向性更好T700S這種表面形貌體現(xiàn)了其前驅(qū)體原絲內(nèi)部原纖直徑較小、排列致密的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特征，由此必然帶來更高的纖維密度和更低的孔隙率T700S 與T300 相比直徑差別不大，但前者的力學(xué)性能卻大大優(yōu)于后者;而T800H 直徑比T700S細(xì)了近2m，但拉伸強度并沒有大幅度增加表面溝槽以及所反映出的原纖結(jié)構(gòu)特征對碳纖維力學(xué)性能的影響很大斷口形貌分析三種碳纖維的單絲拉斷斷口形貌圖（b）：T300（d）：T700S（f）：T800HT700S 的原纖最細(xì)，T800H 略粗，T3

5、00 的最粗拉斷斷面的顆粒狀結(jié)構(gòu)，可以反映出碳纖維中原纖結(jié)構(gòu)的特征亂層石墨微晶結(jié)構(gòu)分析三種碳纖維的赤道掃描圖譜（a）晶面間距：其中波長 = 0.1541nm；為晶面衍射峰的衍射角；B是晶面衍射峰的半高；K是常數(shù)，取0.94；Sc為(002) 晶面衍射峰面積，St為總散射面積表觀結(jié)晶度：沿纖維徑向的平均尺寸：沿軸向方向的平均尺寸:其中波長 = 0.1541nm；為晶面衍射峰的衍射角；B是晶面衍射峰的半高；K是常數(shù)，取1.84；Sc為(002) 晶面衍射峰面積，St為總散射面積三種碳纖維的子午掃描圖譜(b)晶面間距:Sampled002 /nmd100 /nmLc /nmLa /nmXc /%T3

6、000 35500 20871 38763 818862 40T700S0 35330 20671 49073 866967 16T800H0 3543 0 20821 53724 040766 27算出的數(shù)據(jù)T300 的石墨微晶尺寸小而且極不完善，這是T300 的拉伸強度、斷裂伸長率和密度均較低的重要原因三種碳纖維的赤道方位角衍射圖譜石墨微晶取向度： 為石墨微晶沿軸向取向度，H 是方位角衍射峰半高寬，單位為( )經(jīng)過計算，T300，T700S 和T800H 石墨微晶的取向度分別為78.3% ，78.5% 和80.3%T300和T700S的石墨微晶取向度值極為接近，因此，兩種碳纖維的拉伸模量也

7、相似T800H 與T700S 相比，石墨微晶沿軸向的取向度更高，平均尺寸更大，說明T800H 的石墨微晶發(fā)育較T700S 完善，這是它兼具較高拉伸模量和拉伸強度的根本原因之一但拉伸模量的提高會使斷裂伸長率下降，而且T800H 較大的微晶尺寸使軸向的非晶區(qū)減小，纖維的脆性增加，也會使斷裂伸長率降低。因此，T800H的斷裂伸長率小于T700S微孔結(jié)構(gòu)分析當(dāng)物質(zhì)中存在微小電子密度的不均勻區(qū)，X射線將在原光束方向附件的很小角度區(qū)域出現(xiàn)散射，并且其散射強度隨散射角的增大而減小。散射體內(nèi)不同位置的電子對X射線產(chǎn)生散射，其散射波之間發(fā)生互相干涉，這個現(xiàn)象稱為小角X射線散射現(xiàn)象。探測器小角x射線散射基本原理微孔結(jié)構(gòu)分析單個狹長孔和具有取向的稀疏分散狹長孔散射示意圖0方位角對應(yīng)完全平行纖維軸的微孔取向,90方位角則對應(yīng)于垂直纖維軸的微孔取向c，a分別代表炭纖維內(nèi)微孔的長軸和短軸尺寸其微孔呈長橢球狀，并沿纖維軸向取向因此，從散射圖樣上看，T300 的微孔較大，T700S 的較小且細(xì)長，T800H 的最為細(xì)長。一般來說，微孔越小，其SAXS 的散射中心就會越大越明亮，而微孔的長徑比越大，散射花紋中心就會越細(xì)長三種碳纖維的散射花樣（a）：T300（b）：T700S（c）：T800HaSampleT300T700ST800HS1 131 581 88軸向微孔平均尺寸和徑向微孔平均尺寸之比S可以用比值S