碳纖維——新材料之王

引言

     由于碳纖維具有高強度，高模量，低密度，耐腐蝕，耐高溫等優(yōu)異性能，被譽為新材料之王。而這些物理性質(zhì)，離不開其結(jié)構(gòu)特征。本文將從聚丙烯腈碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)，制備工藝，改性等角度來分析其具有優(yōu)異力學性能的原因。

碳纖維的結(jié)構(gòu)

      碳纖維與普通石墨纖維的片狀結(jié)構(gòu)不同，是亂層結(jié)構(gòu)。通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。當孔隙率低于某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%-4%?？紫扼w積含量在0-4%范圍內(nèi)時，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當孔隙率超過0.9%時，層間剪切強度開始下降。由試驗得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。

     因此我們可以得出理想碳纖維的結(jié)構(gòu)：1.高取向2.多亂層 3.低缺陷。

的石墨纖維和碳纖維的不同結(jié)構(gòu)

碳纖維的制備工藝

      聚丙烯腈碳纖維的生產(chǎn)過程分別有3個步驟:第一,通過聚丙腈單體相互聚合得到原液,第二步,再由原液進行PAN原絲的制作。最后一步,對PAN原絲進行氧化以及碳化。

測量紡絲過程中纖維的100面方位角的XRD，發(fā)現(xiàn)取向角呈不斷減小的趨勢，說明微晶的取向性越來越高。PAN紡絲過程中取向性逐步增大的趨勢主要原因有：1）在紡絲壓力的驅(qū)動下，紡絲液經(jīng)過噴絲孔過程中，大分子鏈已經(jīng)有一定的取向，經(jīng)過凝固液后經(jīng)相分離生成微原纖和原纖的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；2）通過沸水牽伸，纖維逐步細化，微晶沿纖維軸取向性增強；3）干燥致密化后，纖維進入高壓蒸汽牽伸裝置，通過高溫汽牽，使纖維顯著細化，得到高取向度的PAN纖維。

碳纖維的改性

      若使用硼酸對碳纖維進行改性，則發(fā)現(xiàn)在1 600～2 400℃的熱處理范圍, 炭纖維中的硼含量會隨著溫度的升高而逐漸降低, 這導致在纖維表面出現(xiàn)了硼化物顆粒。由于硼化物顆粒占據(jù)了 PAN 纖維的孔隙，因此在穩(wěn)定過程中阻礙了氧氣的擴散，并在穩(wěn)定過程中阻礙了氧化反應(yīng)。但是, 由于初始炭纖維中的硼含量較低, 導致其在石墨化過程中并未影響炭纖維微晶尺寸的變化過程, 卻明顯提高了微晶的取向度, 使纖維的楊氏模量得到顯著提升的同時, 拉伸強度的降幅也明顯減小。在達到同等模量的情況下, 硼的引入能夠使熱處理溫度降低200℃。

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