不同炭纤维的结构与性能比较

PAN基碳纤维摘要:聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。

本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。

关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能PAN基碳纤维应用前景航天军事体育用品1.碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。

碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。

碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。

2.PAN基碳纤维的制备从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN的聚合，原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。

2.1 PAN的聚合由于PAN分子结构的特性，纯聚体PAN不适宜作为碳纤维前驱体。

工业生产中，往往采用共聚PAN来制备PAN原丝。

引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。

但也可能带来一些负作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。

2.2 原丝的制备PAN在熔点（317°C）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。

干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内部的缺陷减少、致密性提高。

干湿法纺丝还具有高倍的喷丝头拉伸（3~10mm的空气层是有效拉伸区），纺丝速度高（为湿法纺丝的5~10倍），容易得到高强度、高取向度的纤维等特点，从而保证了碳纤维有足够的强度，是当前碳纤维原丝生产的发展方向。

HKT800碳纤维微观结构与性能顾红星;王浩静;张淑斌;程璐;薛林兵【摘要】为深入剖析国产HKT800碳纤维的微观结构和性能，用扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、X射线衍射仪、压汞仪等对HKT800碳纤维进行了表征，并与东丽T800碳纤维进行了对比分析，结果表明：HKT800碳纤维的表面带有沟槽，少量碳纤维截面呈腰果形，不同于T800碳纤维，且表面粗糙度较大；HKT800碳纤维拉曼测试ID／IG比值为1．07，表面微晶尺寸较小；2种碳纤维层间距均为0．347 nm，孔隙率均为17．4％，比较一致，但HKT800碳纤维堆叠尺寸、取向度略高于T800碳纤维，而微孔偏离碳纤维轴取向程度、微孔长度、微孔横截面平均切割线长度均略低于T800碳纤维，HKT800碳纤维中微孔尺寸、数量的分布也不同于T800碳纤维．%The microstructure and properties of domestic HKT800 carbon fibers were studied by scanning electron microscopy ( SEM), atomic force microscopy ( AFM), Raman, X⁃ray diffaction ( XRD) and mercury intrusion porosimetry (MIP). For the purpose of comparison, the microstructure and properties of T800 carbon fibers were also studied. The results showed that numerous grooves distributed on the surface of HKT800 carbon fibers, while few carbon fibers exhibit a cross⁃section of a cashew⁃like shape and displayed larger surface roughness, which is different from T800 carbon fibers. The ID/IG value of HKT800 carbon fiber was 1.07, indicating its smaller surface crystalline size. The interlayer spacing and porosity of both HKT800 and T800 carbon fibers, is 3.47 Å and 17.4%, respectively. However, the stack size and orientation degree of HKT800 carbon fibers were slightly higher than thoseof T800 carbon fibers. The size and number distribution of micropores were also different between HKT800 and T800 carbon fibers, while theHKT800 possessed lower B, L and l than T800.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2016(024)003【总页数】5页(P45-49)【关键词】碳纤维;微观结构;性能;HKT800【作者】顾红星;王浩静;张淑斌;程璐;薛林兵【作者单位】中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710119; 江苏航科复合材料科技有限公司，江苏镇江212132;中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710119; 江苏航科复合材料科技有限公司，江苏镇江212132;江苏航科复合材料科技有限公司，江苏镇江212132;江苏航科复合材料科技有限公司，江苏镇江212132;江苏航科复合材料科技有限公司，江苏镇江212132【正文语种】中文【中图分类】TQ342.74以碳纤维为增强体制备的高性能复合材料已经广泛应用于航空、航天等领域［1-3］.随着各大应用领域对碳纤维增强复合材料性能要求的不断提高，国际上高性能碳纤维产品已逐渐由T300、T700发展到T800、T1000甚至T1100，如T1000，T1100，IM9等.国内T300、T700等通用级碳纤维已有较多的研究与应用，对于T800级碳纤维因刚实现产业化生产，相关研究和应用方面的报导很少［3-8］. HKT800碳纤维是国内最早实现产出的T800级高性能碳纤维产品，由江苏航科复合材料科技有限公司依托中国科学院技术，2012年初实现批量稳定生产［8］.目前对于HKT800碳纤维产品，尚无相关结构、性能和应用方面的系统分析研究报告.本文对HKT800高性能碳纤维的晶体结构、孔结构、微观形貌等进行了深入的表征和对比分析，重点在于剖析国产T800碳纤维的微观结构特性，寻求宏观性能的工艺依据.1．1 材料HKT800碳纤维，江苏航科复合材料科技有限公司；T800碳纤维，日本东丽公司，具体性能参数测试结果见表1.1．2 测试表征碳纤维力学性能按照GB/T 3362—2005进行测试，使用日本岛津AG-X型万能材料试验机；碳纤维表截面微观形貌分析使用日本JSM-7001F型扫描电镜；晶体结构拉曼光谱使用法国J.Y.公司LabRAM HR800型显微激光拉曼光谱仪，扫描范围100～4 000 cm-1，分辨率2 cm-1；碳纤维中孔的体积和数量分布用美国PoreMaster-60型压汞仪进行测试；碳纤维表面粗糙度用原子力显微镜（AFM）进行测试，扫描范围5 μm×5 μm；碳纤维微晶参数和微孔信息测试采用EmPyrean-1型X射线多晶衍射仪.2．1 微观形貌图1是HKT800碳纤维的扫描电子显微镜照片，可以看到，HKT800碳纤维具有典型的纤维结构特征，截面基本为圆形，少量纤维截面呈腰果形，碳纤维表面沿轴向分布有大量的沟槽，HKT800碳纤维腰果形截面的存在与东丽T800碳纤维不同［9］，碳纤维表面沟槽的形成原因是湿法纺丝工艺下原丝表面形成沟槽在预氧化、碳化后的遗留以及碳纤维后期表面处理的氧化刻蚀.主要成因为：湿纺工艺下，凝固丝条表面形成的弹性凝胶外表在单轴向拉伸力作用下，沿轴向伸长和径向收缩，使凝固丝条细旦化，横截面积逐步减小，导致表面形成折叠皱褶.另外，丝条内部溶剂逐步被凝固剂水置换，导致塌陷也加大了形成褶皱的驱动力.这些表面沟槽在凝固成纤过程中形成，在单轴向牵伸力作用下沿纤维轴取向排列.碳纤维表面沟槽的形成能够增加碳纤维的比表面积和表面能，有利于碳纤维和基体树脂的互相渗透以增强它们之间的机械啮合效果，当碳纤维与树脂复合时，树脂作为流动相会流入碳纤维表面的沟槽中，固化后即形成固态界面相，从而使树脂和碳纤维紧密的结合在一起，形成一个承载外力的整体.不过碳纤维表面沟槽深浅不一，其存在也会增加纤维表面的缺陷，在一定程度上影响到碳纤维本身的力学性能.用原子力显微镜（AFM）检测HKT800碳纤维的表面粗糙度，结果见图2，扫描范围设置5 μm×5 μm.测试结果显示，HKT800碳纤维的表面粗糙度Ra=（43±21）nm，去除上浆剂后，碳纤维表面粗糙度会有所增加，Ra=（53±22）nm.由于HKT800碳纤维少数存在腰果形截面，腰果中心区的粗糙度明显大于平滑区，使得碳纤维的粗糙度离散系数较大.碳纤维表面沟槽十分有利于提高纤维与树脂之间的机械啮合作用，纤维表面粗糙度大，则机械锚定力越大，一定程度上可以提高复合材料的界面粘结性能［2］.2．2 晶体结构2.2.1 拉曼光谱拉曼光谱属于散射光谱，常用来研究碳纤维表面结构的石墨化度或有序化程度，石墨是具有碳六角网平面的层状结构，而碳纤维具有乱层石墨结构，其激光拉曼光谱测试一般会产生2个主要峰：分别在1 580和1 358 cm-1左右.1 580 cm-1处的G峰，是石墨网平面内相邻碳原子在相反方向产生的强振动处出现的强共振线，称为G线，其强度或半高宽可以用来表征石墨结构中sp2杂化结构的完整程度，对应的是理想石墨单晶的平面振动模式E2g；对于石墨化程度较低的碳纤维材料，除了G线外，还会在1 358 cm-1处出现一条D线，是微晶小、边缘不饱和碳原子多、取向低、不对称碳原子多和结构缺陷多的反应.1 358 cm-1处的D峰被指认为类金刚石碳sp3电子结构的A1g联合振动模式，对应于无定形碳的晶格振动模式.所以可用D线强度和G线强度的比值来判断碳纤维的石墨化程度和结构的完整性.碳纤维表面微晶尺寸La与两峰积分强度比ID/IG（以R表示）的函数关系为La=4.4/R，即R的数值越小，微晶尺寸越大，碳纤维石墨结晶越完整，石墨化程度就越高，因此常用R值的大小来评价材料的石墨化程度［10-11］.碳纤维的拉伸强度与其石墨微晶尺寸平方根成反比［11］.图3为HKT800和T800碳纤维的拉曼光谱，具有典型的碳纤维拉曼特性，主要存在1 358 cm-1处的D峰和1 580 cm-1处的G峰，根据上述分析，经计算HKT800碳纤维的R值为1.07，T800碳纤维R值为0.99，两者非常接近，也可知其碳纤维表面的微晶尺寸是比较小的，这也是碳纤维强度较高的原因之一.另外，碳纤维表面存在有大量不饱和碳原子，可以在碳纤维和基体树脂间形成较强的相互作用.碳纤维表面的晶粒结构、尺寸等情况与其制造过程特别是高温碳化温度和时间是密切相关的，HKT800碳纤维生产中高温碳化处理温度在1 400℃左右，高温碳化工艺段温度不高，从而晶粒尺寸较小，乱层石墨结构的石墨化程度不高.由图3还可看到，在2 600～3 000 cm-1区间存在一个较宽的峰，该峰一般由2个峰组合而成，其一位于2 600～2 730 cm-1称为G′线或2D线，属于D线的谐波，与类石墨材料中存在的电子谱带结构有关，结晶石墨和石墨化纤维在高石墨化温度下会分裂成峰，仅仅是碳纤维则较弱.另一个位于～2 950 cm-1峰为G″线，是玻璃态碳结构的反应.2.2.2 广角X射线衍射用XRD测定碳纤维的结构参数，其晶面间距d和X射线的波长关系用布拉格方程进行表示，碳纤维石墨微晶大小和堆叠厚度通过谢乐公式进行计算.通过X射线衍射仪对碳纤维样品进行方位角扫描，测试过程中，当方位角从0°到360°时，0°～180°和180°～360°可以得到2个不连续的半高斯型衍射峰，通过Jade拟合出半峰宽，代入取向度，k为0.89，HKT800碳纤维和T800碳纤维广角X射线衍射见图4，具体微晶参数见表2.理想石墨材料的层间距理论值为0.335 4 nm，碳纤维具有乱层石墨结构，层间距通常大于0.34 nm，晶粒尺寸为1.5～5.0 nm，碳纤维层间距越小，其晶体排列越整齐，石墨化程度越高，其弹性模量越高.从表2知：HKT800碳纤维的半高宽均值为4.72，低于东丽T800碳纤维的4.86，这两者层间距比较一致，均为0.347 nm，HKT800碳纤维的堆叠尺寸为1.703 nm，高于东丽T800碳纤维的1.65 nm，取向度81.9%也略高于东丽T800碳纤维产品.对于类石墨结构材料，石墨微晶取向越好，相同的衍射晶面数越多，衍射弧宽度越窄，半高宽值越小，上述数据符合此规律.对于高强型碳纤维材料，其微晶越小、取向度越高，其强度越高.一般认为，碳纤维缺陷大小与微晶尺寸属于同一数量级，微晶尺寸越大、缺陷也越大，从而导致碳纤维拉伸强度下降，这是细晶化的结构理论基础.总之，细晶化是提高碳纤维拉伸强度比较有效可行的措施之一.2．3 孔结构与分布石墨的理论密度为2.266 g/cm3，T800级碳纤维的密度约为1.81 g/cm3，低于石墨的理论密度，碳纤维密度是由碳的乱层结构和孔隙组成的，碳纤维密度越高，孔隙率越低，碳纤维的拉伸强度越高，所以，降低孔隙率、提高密度是提高碳纤维拉伸强度的有效途径.碳纤维的孔隙率可用广角X射线衍射测试，计算公式为［12-13］式中：d是用WAXD测出的碳纤维层间距，nm；d0是理想石墨的层间距理论值，为0.335 4 nm；ρ为碳纤维密度，g/cm3；ρ0为理想石墨密度，为2.266g/cm3.根据广角X射线衍射（WAXD）测试结果，HKT800碳纤维和东丽T800碳纤维的层间距均为0.347 nm，密度也一致，结合式（1），经计算2种碳纤维的孔隙率均为17.4%.2.3.1 小角X射线散射检测碳纤维微孔高性能碳纤维不仅需要关注其孔隙率，还需要了解其孔的大小、形状和具体空间分布等信息.碳纤维是由纤维和微孔构成的两相结构，因两者电子密度的不同，特别是两相界面存在的电子密度的不连续性，产生的散射不同，所以，根据观察到的散射光强度、散射角大小与纤维中的微孔形状、尺寸和分布有着密切联系，小角X射线散射（SAXS）经常被用来研究碳纤维中的微孔特性.HKT800碳纤维和东丽T800碳纤维小角X射线散射见图5，通过SAXS散射花样，可以了解它们的微孔尺寸等特性，图中竖直方向散射图形长度大于水平方向，说明微孔呈针状，并沿碳纤维轴向取向［9，11］.SAXS的具体计算结果见表3.表3中，B为微孔偏离碳纤维轴取向程度，n为微孔数，L为微孔长度，l为微孔横截面平均切割线长度，V为微孔体积，其函数关系为即，微孔体积正比于微孔数、微孔长度和微孔横截面平均切割线长度.从表3可以看到，HKT800碳纤维微孔偏离碳纤维轴取向程度比东丽T800碳纤维要低一些，其微孔长度L平均值为60.31 nm，低于东丽T800碳纤维的71.86 nm，同样其微孔横截面平均切割线长度l平均值4.77，低于东丽T800碳纤维的5.30，HKT800碳纤维最终的微孔体积V为1.43，略低于东丽T800碳纤维的1.6. 因碳纤维拉伸强度不仅受孔隙率的影响，还受到孔的形状、取向程度等因素的影响，综合对比HKT800碳纤维与东丽T800碳纤维，根据X射线衍射（WAXD）结果，两者孔隙率基本一致，根据小角X射线散射（SAXS）计算结果，HKT800碳纤维在孔偏离轴取向度、微孔体积等方面略优于东丽T800.2.3.2 压汞仪检测碳纤维孔分布用压汞仪对碳纤维进行孔分布的检测，相较于小角X射线散射（SAXS）检测微孔信息，其具有明显不同之处，压汞仪测试选用的样品量较大，更具有宏观代表性，可以获得孔的数量分布和尺寸分布等信息，尺寸包括纳米级、微米级以及更大尺寸孔等.为明晰测试结果，首先说明碳纤维单丝之间的孔隙和碳纤维表面的沟槽定义为外部的大尺寸孔，嵌于碳纤维内部的孔称为微孔，对比分析的重点是比较碳纤维中的微孔分布情况.图6为HKT800碳纤维和东丽T800碳纤维中微孔的尺寸分布情况.由图6可以看到，HKT800碳纤维与东丽T800碳纤维有明显不同，东丽T800碳纤维中的微孔基本分布在5～10 nm，而HKT800碳纤维中微孔主要分为2个部分，分别在5～8 nm和15～50 nm之间，单从碳纤维中微孔的尺寸分布看，HKT800碳纤维在15～50 nm之间存在有一定比例的孔，说明相对于东丽T800碳纤维，存在有一些尺寸较大的微孔.而2种碳纤维的微孔数量分布测试表明，T800碳纤维中微孔数量多于HKT800碳纤维，整体上T800碳纤维和HKT800碳纤维微孔的总体积基本持平，即2种碳纤维的孔隙率是相当的，这和前面的表征结果是一致的.碳纤维中孔隙的形成是碳化过程中有大量气体产物，其逸走在原位产生缺陷的同时，逸走通道产生了大量气孔.其预氧化过程中结合的氧以H2O、CO和CO2脱除，氮以NH3、HCN和N2释放，尤其在1 000℃以后，已形成乱层石墨结构雏型，大量缩聚副产物N2的逸走残留下大量气孔.1）HKT800碳纤维和T800碳纤维同属湿法纺丝工艺，表面均带有大量沟槽，但是少量HKT800碳纤维截面为腰果形，不同于T800碳纤维，且表面粗糙度较大，一定程度上可以提高其复合材料的界面粘结性能.2）HKT800碳纤维表面微晶尺寸较小，存在有大量不饱和碳原子，有利于碳纤维和基体树脂间形成较强的相互作用.HKT800碳纤维与T800碳纤维层间距一致，但半高宽低于、堆叠尺寸高于、取向度略高于T800碳纤维.3）HKT800碳纤维和T800碳纤维孔隙率一致，HKT800碳纤维微孔偏离碳纤维轴取向程度、微孔长度、微孔横截面平均切割线长度均略低于T800碳纤维.2种碳纤维微孔的尺寸和数量分布也存在差异.【相关文献】［1］井敏，谭婷婷，王成国，等.PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析［J］.航空材料学报，2013，33（1）：78-85. 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沥青基碳纤维和pan碳纤维1.引言1.1 概述在概述部分，我们将介绍沥青基碳纤维和PAN碳纤维的基本概念和背景信息。

沥青基碳纤维和PAN碳纤维都是目前广泛应用于不同领域的高性能纤维材料。

沥青基碳纤维是以改性沥青为基材，在高温条件下碳化得到的连续纤维。

它具有较高的热稳定性、力学性能和疲劳性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。

沥青基碳纤维的制备方法主要包括沥青改性、纺丝、碳化等工艺步骤。

PAN碳纤维是以聚丙烯腈（PAN）为主要原料制备得到的连续纤维。

它具有高强度、高模量和优异的特性，被广泛应用于航空航天、船舶、运动器材等领域。

PAN碳纤维的制备方法主要包括聚合纺丝、胶纺丝、气相重聚和高温碳化等工艺步骤。

本文将重点介绍沥青基碳纤维和PAN碳纤维的特性和制备方法，并探讨它们在不同领域的应用。

通过对比分析两种碳纤维的特点，我们可以更好地理解它们的适用范围和优势。

此外，我们也将展望沥青基碳纤维和PAN碳纤维在未来的发展方向，以期为相关领域的研究和应用提供参考和指导。

在接下来的章节中，我们将详细介绍沥青基碳纤维和PAN碳纤维的特性、制备方法和应用领域。

通过全面的研究和讨论，我们可以为碳纤维材料的发展和应用提供更深入的了解和见解。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以写成以下形式：1.2 文章结构本文将以两个主要部分来探讨沥青基碳纤维和PAN碳纤维。

首先，我们将详细介绍沥青基碳纤维，包括其特性和制备方法。

接着，我们将探讨沥青基碳纤维在不同领域的应用。

其次，我们将转向PAN碳纤维，同样介绍其特性和制备方法，并讨论其应用领域。

最后，我们将通过对沥青基碳纤维和PAN碳纤维进行比较，总结两者的差异和优势。

此外，我们还将展望未来发展方向，探讨这两种碳纤维在新兴领域中的应用前景。

通过本文的阅读，读者将可以深入了解沥青基碳纤维和PAN碳纤维的特性、制备方法及其在不同领域的应用，为碳纤维领域的研究和开发提供有价值的参考。

研究与开发合成纤维工业ꎬ２０１８ꎬ４１(５):５ＣＨＩＮＡ㊀ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ㊀ＦＩＢＥＲ㊀ＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀收稿日期:２０１８￣０５￣１４ꎻ修改稿收到日期:２０１８￣０８￣０７ꎮ作者简介:钟俊俊(１９８６ )ꎬ女ꎬ工程师ꎬ主要从事高性能碳纤维检测表征工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈｏｎｇｊｊ＠ｎｉｍｔｅ.ａｃ.ｃｎꎮ基金项目:中科院创新基金项目(ＣＸＪＪ￣１７￣Ｍ１６０)ꎻ装备发展部领域基金重点项目(６１４０９２２０１０１０３)ꎮ㊀∗通讯联系人ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｑｘ３０２３＠ｎｉｍｔｅ.ａｃ.ｃｎꎮ不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维的结构对比钟俊俊ꎬ钱㊀鑫∗ꎬ张永刚ꎬ王雪飞ꎬ李德宏ꎬ宋书林(中国科学院宁波材料技术与工程研究所碳纤维制备技术国家工程实验室ꎬ浙江宁波３１５２０１)摘㊀要:对自制的两种不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维(ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２)的结构与性能进行了研究ꎬ并与日本东丽公司Ｔ８００碳纤维进行了比较ꎮ结果表明:ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２的直径分别为５.６４ꎬ６.３１μｍꎬ均高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(５.４５μｍ)ꎬ截面比日本东丽公司Ｔ８００碳纤维规整ꎻＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２的拉伸强度分别为５.５８ꎬ５.５６ＧＰａꎬ略高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(５.５２ＧＰａ)ꎬ拉伸模量分别为２９３ꎬ２９５ＧＰａꎬ略高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(２９０ＧＰａ)ꎬ断裂伸长率分别为１.９７％ꎬ１.８９％ꎬ均高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(１.８０％)ꎻＮＢＦ２的石墨微晶层间距为０.３５２７ｎｍꎬ显著低于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(０.３５５５ｎｍ)ꎬＮＢＦ２具有更高的石墨化程度ꎻ碳纤维表面无序化程度越低ꎬ其拉伸强度越高ꎮ关键词:碳纤维㊀聚丙烯腈纤维㊀高强中模㊀结构㊀性能中图分类号:ＴＱ３４２＋.７４２㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣００４１(２０１８)０５￣０００５￣０４㊀㊀聚丙烯腈(ＰＡＮ)基碳纤维具有高强度㊁高模量㊁耐高温㊁耐腐蚀㊁导电㊁导热等独特性能ꎬ因而广泛用作先进复合材料的增强体[１－３]ꎮＰＡＮ基碳纤维按照力学性能可以分为高强中模㊁高模和高强高模三大类ꎬ高强中模碳纤维以日本东丽公司Ｔ３００ꎬＴ７００ꎬＴ８００等为典型代表ꎮ近年来碳纤维发展迅速ꎬ新性能产品不断出现ꎬ因而高模和高强高模概念有所延伸ꎮ目前高模是以日本Ｍ４０ＪꎬＭ５０ＪꎬＭ５５Ｊ中强高模碳纤维为代表ꎬ并逐渐取代了最初Ｍ４０ꎬＭ５０等低强高模纤维ꎻ而高强高模则是最近几年国内外研究热点ꎬ该产品特点是同时具有高强度㊁高模量ꎬ以日本东丽Ｔ１１００Ｇ(拉伸强度７.０ＧＰａ㊁拉伸模量３２４ＧＰａ)㊁美国佐治亚理工学院研制的高性能碳纤维(拉伸强度５.５~５.８ＧＰａ㊁拉伸模量３５４~３５７ＧＰａ)[４]为代表ꎮ近期中国科学院宁波材料技术与工程研究所研制出拉伸强度５.２４ＧＰａꎬ拉伸模量５９３ＧＰａ型碳纤维也呈现出兼具高强度㊁高模量的特征ꎮ目前碳纤维市场仍然被日本及美国等垄断ꎬ经过多年自主研发ꎬ国内碳纤维发展迅速ꎬ主体性能指标也不断突破ꎬ但由于国内产品大多是参照国外尤其是日本东丽公司产品性能指标发展及分级ꎬ对于结构或性能等不同规格的碳纤维研发有待开展ꎮ依据Ｗｅｉｂｕｌｌ最弱链接理论ꎬ纤维拉伸断裂出现在最大缺陷处ꎬ纤维尺寸越大ꎬ出现较大缺陷概率也随之增高ꎬ因而纤维直径越细ꎬ碳纤维拉伸强度越高[５]ꎮ若在不同纤维直径下获得的碳纤维力学性能相同或相近ꎬ其内部结构是否存在显著区别ꎬ对此目前国内外尚未有报道ꎮ基于上述碳纤维研究现状分析ꎬ作者以自制两种不同直径的Ｔ８００级碳纤维为研究对象ꎬ对比研究了相近力学性能下不同直径的自制Ｔ８００级碳纤维微观结构的差异ꎬ同时以日本东丽Ｔ８００碳纤维作为对比ꎮ本研究对阐明高强中模碳纤维的结构㊁性能关联性ꎬ尤其不同规格产品的开发具有一定的指导意义ꎮ１㊀实验１.１㊀主要原料及试样丙烯腈:纯度大于等于９９.０％ꎬ台州市中海医药化工有限公司提供ꎻ衣康酸(化学纯)㊁偶氮二异丁氰(分析纯):国药集团化学试剂有限公司提供ꎻ东丽ＰＡＮ基碳纤维:规格Ｔ８００ꎬ１２Ｋꎬ简称Ｔ８００碳纤维ꎬ日本东丽公司生产ꎮ１.２㊀实验方法Ｔ８００级碳纤维的制备:以丙烯腈㊁衣康酸为原料ꎬ偶氮二异丁腈为引发剂ꎬ采用湿法纺丝工艺ꎬ经聚合㊁纺丝㊁高温拉伸㊁上油等工艺制备得到ＰＡＮ原丝ꎬ再经过１８０~２６０ħ预氧化㊁３００~８００ħ低温碳化㊁１０００~１６００ħ高温碳化工艺制备得到ＰＡＮ基碳纤维ꎬ其中通过ＰＡＮ原丝制备过程中喷丝孔径调控来获得不同直径纤维ꎮ小直径丝束规格为１２Ｋꎬ大直径丝束规格为６Ｋꎬ分别标记为ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样ꎮ１.３㊀测试力学性能:按照ＧＢ/Ｔ３３６２ ２００５试验标准ꎬ使用美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司５５６９型万能材料试验机测试碳纤维的拉伸强度ꎬ加载速度２.０ｍｍ/ｍｉｎꎬ测试８个试样取平均值ꎮ形貌结构:利用美国ＦＥＩ公司ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型场发射扫描电镜(ＳＥＭ)对两种自制Ｔ８００㊁东丽Ｔ８００碳纤维表面㊁断面形貌进行观察ꎻ同时ꎬ通过截面形貌对纤维直径进行了统计分析ꎬ纤维直径取３０根纤维直径的平均值ꎮＸ射线衍射(ＸＲＤ):采用日本Ｒｉｇａｋｕ公司Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＤａｖｉｎｃｉ型Ｘ射线衍射仪进行测试ꎮ测试条件:采用Ｎｉ过滤的ＣｕＫα辐射(波长为０.１５４１８ｎｍ)ꎬ管压４０ｋＶꎮ测试时将纤维研磨成粉末放置在载物台上ꎬ采用对称透射几何安排进行纤维衍射并进行赤道扫描ꎮ拉曼光谱:使用英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司ｉｎＶｉａ￣ｒｅ￣ｆｌｅｘ型激光拉曼光谱仪对碳纤维拉曼光谱进行测试ꎮ激发光波长为５３２ｎｍ(氩离子)ꎬ扫描时间为１０~３０ｓꎬ光谱分辨率为１ｃｍ－１ꎬ拉曼光谱扫描波数为６００~２１００ｃｍ－１ꎬ采用高斯￣洛伦兹拟合以获得峰结构信息ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀力学性能从表１可以看出ꎬ两种规格Ｔ８００级碳纤维ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２拉伸强度与拉伸模量均略高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ而自制Ｔ８００级碳纤维断裂伸长率也明显高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ表１㊀自制Ｔ８００级碳纤维与Ｔ８００碳纤维性能对比Ｔａｂ.１㊀ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＣｈｉｎａ￣ｍａｄｅＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样线密度/ｔｅｘ体密度/(ｇ ｃｍ－３)拉伸强度/ＧＰａ拉伸模量/ＧＰａ断裂伸长率ꎬ％ＮＢＦ１４５０１.７８５.５８２９３１.９７ＮＢＦ２３１５１.８０５.５６２９５１.８９Ｔ８００碳纤维４５０１.８０５.５２２９０１.８０㊀㊀对于碳纤维线密度ꎬＮＢＦ１试样与日本东丽Ｔ８００碳纤维同为１２Ｋ规格碳纤维ꎬ两者线密度相同均为４５０ｔｅｘꎻ根据产品信息日本东丽Ｔ８００碳纤维６Ｋ规格的线密度为２２４ｔｅｘꎬ而ＮＢＦ２试样的丝束规格同为６Ｋ情况下ꎬ纤维的线密度高达３１５ｔｅｘꎬ线密度越高ꎬ说明获得相同质量所需纤维长度越短ꎬ即纤维直径越大ꎮ２.２㊀形貌结构由图１试样的表面ＳＥＭ照片可以看出ꎬ自制Ｔ８００级碳纤维(ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样)与日本东丽Ｔ８００碳纤维均存在明显的轴向沟槽ꎬ该结构产生与ＰＡＮ原丝制备过程中双扩散过程有关[６]ꎮ从图１还可以看出ꎬ日本东丽Ｔ８００碳纤维沟槽结构更为明显ꎬ这是由于其原丝制备过程中双扩散过程更为剧烈ꎮ而从纤维断面形貌图中也可以看出ꎬ自制ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样断面较日本东丽Ｔ８００碳纤维截面要规整ꎮ图１㊀碳纤维的表面及断面形貌的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ.１㊀ＳＥＭｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓ￣ｓｅｃｔｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ㊀㊀按照ＧＢ/Ｔ２９７６２ ２０１３碳纤维纤维直径和横截面积的测定ꎬ对自制ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２及日本东丽Ｔ８００碳纤维直径理论值按公式(１)进行计算ꎮｄ＝４ｔˑ１０３/πρｎ(１)式中:ｄ为纤维的理论直径ꎻｔ为纤维的线密度ꎻρ为纤维的体密度ꎻｎ为纤维单丝根数ꎮ㊀㊀同时使用ＳＥＭ对纤维截面测量计算得到纤６㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４１卷维直径数据如表２所示ꎮ表２㊀碳纤维的直径Ｔａｂ.２㊀Ｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样直径/μｍ理论值实测值ＮＢＦ１５.１８５.６４ʃ０.２２ＮＢＦ２６.０９６.３１ʃ０.１３Ｔ８００碳纤维５.１５５.４５ʃ０.１２㊀㊀按照公式(１)计算ꎬ在小直径ＮＢＦ１试样与日本东丽Ｔ８００碳纤维具有相同丝束规格情况下ꎬ由于小直径ＮＢＦ１试样体密度较小ꎬ因而纤维理论直径要稍微高于东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ经ＳＥＭ截面实测的小直径ＮＢＦ１试样要高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ而对于大直径ＮＢＦ２试样ꎬ纤维直径的理论值和实测值均显著高于小直径ＮＢＦ１和日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ其实测值达到６.３１μｍꎮ２.３㊀微晶结构石墨微晶层间距(ｄ００２)及微晶堆砌厚度(Ｌｃ)是评价碳纤维石墨特征结构两个重要参数ꎮｄ００２值的大小和(００２)晶面衍射峰峰形的宽窄可以反映材料的石墨化程度的高低ꎬｄ００２值越小ꎬ(００２)峰越窄ꎬ表示石墨化程度越高ꎮｄ００２和Ｌｃ可利用ＸＲＤ赤道扫描图中的(００２)峰的半峰宽(ＦＷＨＭ)通过布拉格公式和谢乐公式进行计算[７]ꎮ通过对ＸＲＤ赤道扫描分析计算得到３种碳纤维结构参数如表３所示ꎮ表３㊀碳纤维的ＸＲＤ结构参数Ｔａｂ.３㊀ＸＲＤｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样２θ(００２)/(ʎ)ｄ００２/ｎｍＦＷＨＭ(００２)/ (ʎ)Ｌｃ/ｎｍＮＢＦ１２５.１３０.３５４１４.５６１.９８ＮＢＦ２２５.２３０.３５２７４.５９１.９７Ｔ８００碳纤维２５.０３０.３５５５４.６６１.９４㊀㊀从表３可以看出ꎬ自制Ｔ８００级碳纤维的ｄ００２要显著低于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ而Ｌｃ也略高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ对于大直径ＮＢＦ２纤维ꎬｄ００２为０.３５２７ｎｍ略低于小直径ＮＢＦ１的０.３５４１ｎｍꎬ但远低于日本东丽Ｔ８００碳纤维的０.３５５５ｎｍꎬ说明ＮＢＦ２试样的石墨化度要高于其他两种纤维ꎬ在３种碳纤维拉伸强度及拉伸模量相近情况下ꎬＮＢＦ２试样高石墨化度将更有利于制备高模碳纤维ꎮ２.４㊀拉曼光谱拉曼光谱是碳纤维微观结构最为常用且有效的表征手段之一[８－９]ꎬ但其检测范围局限在一定范围内ꎬ通常可对纤维表面数十纳米范围内结构进行明确表征[１０]ꎮ碳纤维拉曼光谱在１０００~２０００ｃｍ－１波数内会出现两个典型峰ꎬ分别是位于１５８０~１６００ｃｍ－１附近的Ｇ峰和１３５０~１３６０ｃｍ－１附近的Ｄ峰ꎬ其中Ｇ峰是石墨化层平面内碳原子(ＳＰ２杂化)的伸缩振动峰ꎬ代表了有序石墨化结构峰ꎻＤ峰则是石墨片层边缘碳原子(ＳＰ３杂化)的伸缩振动峰ꎬ代表了无序结构峰[５ꎬ１１－１２]ꎮ两个峰面积比值(ＩＤ/ＩＧ)代表了碳纤维无序化程度ꎬ数值越大㊁纤维无序化程度越高ꎮ从图２可以看出ꎬ３种纤维均存在显著的无序结构Ｄ峰和石墨结构Ｇ峰ꎬ其中Ｄ峰位于１３６０ｃｍ－１附近ꎬＧ峰位于１６００ｃｍ－１附近ꎮ图２㊀碳纤维的拉曼光谱Ｆｉｇ.２㊀Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ１ ＮＢＦ１试样ꎻ２ ＮＢＦ２试样ꎻ３ Ｔ８００碳纤维㊀㊀经拟合分峰得到峰结构详细参数如表４所示ꎮ从表４可以看出ꎬ小直径ＮＢＦ１试样的ＩＤ/ＩＧ值要显著低于其他两种纤维ꎮ表４㊀碳纤维的拉曼光谱分析结果Ｔａｂ.４㊀Ｒａｍａｎｐｅａｋｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样Ｄ峰峰位/(ｃｍ－１)ＦＷＨＭ/(ｃｍ－１)峰面积Ｇ峰峰位/(ｃｍ－１)ＦＷＨＭ/(ｃｍ－１)峰面积ＩＤ/ＩＧＮＢＦ１１３６０.６２３２.８５７２.５７１５９４.４８９.０１２１.４９３.３８ＮＢＦ２１３５９.６２２４.１５７０.９９１６００.１８４.９６１８.９１３.７５Ｔ８００碳纤维１３６２.１２４２.２０７２ꎬ６８１５９８.４８８.２１１９.２０３.７９㊀㊀这说明ＮＢＦ１中纤维表面的无序化程度较低ꎬ结合表１中的纤维力学性能数据可以看出ꎬＩＤ/ＩＧ与碳纤维拉伸强度存在一定对应关系ꎬＩＤ/ＩＧ越低㊁碳纤维的拉伸强度越高ꎬ其原因在于纤维表面结构越有序ꎬ表面的缺陷结构也越少ꎬ因７第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钟俊俊等.不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维的结构对比而碳纤维越有利于获得优异的性能ꎮ通过对比大直径ＮＢＦ２与日本东丽Ｔ８００碳纤维结构参数可看出ꎬ虽然两种纤维在直径上存在较大差异(见表２)ꎬ但两种纤维表面石墨化有序结构程度差异并不大ꎮ３㊀结论ａ.自制Ｔ８００级碳纤维截面较日本东丽Ｔ８００碳纤维截面要规整ꎬＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样的纤维直径分别５.６４ꎬ６.３１μｍꎬ均高于日本东丽Ｔ８００碳纤维的５.４５μｍꎮｂ.大直径Ｔ８００级碳纤维ＮＢＦ２的ｄ００２显著低于日本东丽Ｔ８００碳纤维的ｄ００２ꎬ证明该规格纤维具有更高的石墨化程度ꎮｃ.碳纤维表面无序化程度与碳纤维拉伸强度存在对应关系ꎬ纤维表面无序化程度越低ꎬ碳纤维的拉伸强度也越高ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀ＺｈａｏＭｉｎꎬＭｅｎｇＬｉｎｇｈｕｉꎬＭａＬｉｃｈｕｎꎬｅｔａｌ.Ｌａｙｅｒ￣ｂｙ￣ｌａｙｅｒｇｒａｆｔｉｎｇＣＮＴｓｏｎｔｏｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｉｎ￣ｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐＳｃｉＴｅｃｈꎬ２０１８ꎬ１５４:２８－３６.[２]㊀ＱｉａｎＸｉｎꎬＺｏｕＲｕｉｆｅｎꎬＯｕｙａｎｇＱｉｎꎬｅｔａｌ.Ｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｔｏｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＡｐｐｌＳｕｒｆＳｃｉꎬ２０１５ꎬ３２７:２４６－２５２. [３]㊀ＡｎｄｉｄｅｈＭꎬＥｓｆａｎｄｅｈＭ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙｏｘｉｄｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｂｙｇｒａｆｔｉｎｇｈｙｄｒｏｘｙｌａｎｄａｍｉｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓｏｎｉｎ￣ｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ２０１７ꎬ１２３:２３３－２４２.[４]㊀ＨａｎＧＣꎬＮｅｗｃｏｍｂＢＡꎬＧｕｌｇｕｎｊｅＰＶꎬｅｔａｌ.Ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ２０１５ꎬ９３:８１－８７.[５]㊀ＦｉｔｚｅｒＥ.ＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ￣ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｅａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｐｏｉｎｔｏｆｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｌｉｍｉｔｓｔｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｎｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｆｉｂｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ１９８９ꎬ２７(５):６２１－６４５. [６]㊀ＹｕＭｅｉｊｉｅꎬＸｕＹｏｎｇꎬＷａｎｇＣｈｅｎｇｇｕｏꎬｅｔａｌ.Ｈｅｒｅｄｉｔｙａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅ￣ｓｃａｌｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒ￣ｂｏｎｆｉｂｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｅｃｕｒｓｏｒｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＪＡｐｐｌＰｏｌｙｍＳｃｉꎬ２０１２ꎬ１２５(４):３１５９－３１６６.[７]㊀ＨｕａｎｇＹꎬＹｏｕｎｇＲＪ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｆｉｂｒｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｐｏｎｔｈｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆＰＡＮ￣ａｎｄｐｉｔｃｈ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ１９９５ꎬ３３(２):９７－１０７.[８]㊀ＭｅｌａｎｉｔｉｓＮꎬＴｅｔｌｏｗＰＬꎬＧａｌｉｏｔｉｓＣ.ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓｗｉｔｈｌａｓｅｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ.１.ＥｆｆｅｃｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅｓｏｎＲａｍａｎｂａｎｄｐｒｏｆｉｌｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＳｃｉꎬ１９９６ꎬ３１(４):８５１－８６０.[９]㊀ＦｒａｎｋＯꎬＴｓｏｕｋｌｅｒｉＧꎬＲｉａｚＩꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｎｉｖｅｒ￣ｓａｌｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒｆｏｒｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].ＮａｔＣｏｍ￣ｍｕｎꎬ２０１１ꎬ２(１):２５５.[１０]ＧａｌｉｏｔｉｓＣꎬＢａｔｃｈｅｌｄｅｒＤＮ.Ｓｔｒａｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔ￣ａｎｄｓｅｃｏｎｄ￣ｏｒｄｅｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＳｃｉＬｅｔｔꎬ１９８８ꎬ７(５):５４５－５４７.[１１]ＴｕｉｎｓｔｒａＦꎬＫｏｅｎｉｇＪＬ.Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ[Ｊ].ＪＣｈｅｍＰｈｙｓꎬ１９７０ꎬ５３(３):１１２６－１１３０.[１２]ＴｕｉｎｓｔｒａＦꎬＫｏｅｎｉｇＪＬ.Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｆｉｂｅｒｓｕｒ￣ｆａｃｅｓｗｉｔｈＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ[Ｊ].ＪＣｏｍｐＭａｔｅｒꎬ１９７０ꎬ４(４):４９２－４９９.ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆＴ８００ｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ￣ｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓＺｈｏｎｇＪｕｎｊｕｎꎬＱｉａｎＸｉｎꎬＺｈａｎｇＹｏｎｇｇａｎｇꎬＷａｎｇＸｕｅｆｅｉꎬＬｉＤｅｈｏｎｇꎬＳｏｎｇＳｈｕｌｉｎ(ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮｉｎｇｂｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＮｉｎｇｂｏ３１５２０１)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｅｌｆ￣ｍａｄｅＴ８００ｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ￣ｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓ(ＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２)ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆ５.６４ａｎｄ６.３１μｍꎬｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(５.４５μｍ)ꎬａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｗａｓｍｏｒｅｒｅｇｕｌａｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｔｅｎ￣ｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ５.５８ａｎｄ５.５６ＧＰａꎬｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(５.５２ＧＰａ)ꎬｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆ２９３ａｎｄ２９５ＧＰａꎬｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(２９０ＧＰａ)ꎬａｎｄｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎａｔｂｒｅａｋｏｆ１.９７％ａｎｄ１.８９％ꎬｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(１.８０％)ꎻＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｇｒａｐｈｉｔｅｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｉｎｔｅｒ￣ｌａｙｅｒｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ０.３５２７ｎｍꎬｐｒｏｆｏｕｎｄｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(０.３５５５ｎｍ)ꎬｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｅｒｇｒａｐｈｉｔｅｄｅｇｒｅｅｏｆＮＢＦ２ꎻｔｈｅｌｏｗｅｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｏｒｄｅｒｄｅｇｒｅｅｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎬｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｆｉｂｅｒꎻｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｍｏｄｕｌｕｓꎻｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｐｒｏｐｅｒｔｙ８㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４１卷。

碳纤维的结构
碳纤维是一种由碳原子通过化学方法制备而成的纤维材料，具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。

其独特的结构是其优异性能的关键所在。

碳纤维的结构主要由碳原子构成，碳原子通过共价键连接成六角形的网状结构，形成类似于石墨的层状结构。

这种结构使得碳纤维具有优异的强度和刚度，能够承受较大的拉伸力和压缩力，同时具有较高的耐热性和耐腐蚀性。

在碳纤维的制备过程中，一般采用聚丙烯等高分子材料为原料，经过纺丝、碳化等工艺步骤，最终形成具有高度结晶度的碳原子结构。

在碳化的过程中，高分子材料经过高温处理，除去杂质和非碳元素，最终形成纯净的碳纤维结构。

碳纤维的结构可以分为两种类型：一种是各向同性结构，即碳原子在各个方向上的排列均匀，具有均匀的物理性能；另一种是各向异性结构，即碳原子在不同方向上的排列不均匀，具有不同的物理性能。

各向异性结构的碳纤维可以根据需要进行定向排列，以满足不同方向上的强度需求。

碳纤维的结构还可以根据纤维之间的排列方式分为单向碳纤维、多向碳纤维和三维碳纤维等不同类型。

单向碳纤维的结构中纤维排列方向一致，具有较高的强度和刚度；多向碳纤维的结构中纤维在不
同方向上排列，具有较好的各向性能；三维碳纤维的结构中纤维呈立体排列，具有较高的抗冲击性能。

总的来说，碳纤维的优异性能源于其特殊的碳原子结构。

通过调控碳纤维的结构，可以实现对其性能的调节和优化，满足不同领域的需求。

随着碳纤维技术的不断发展，相信碳纤维的结构将越来越精细化，性能将越来越优越，为人类社会带来更多的创新和发展。

聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。

本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。

关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。

碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。

PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。

2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。

碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。

碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。

PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。

碳材料的结构与性能研究碳材料是由碳元素构成的材料，常见的有石墨烯、碳纳米管、碳纤维等。

它们具有轻、硬、强、导电、导热、耐腐蚀等特点，在航空、航天、电子、新能源等领域有广泛的应用。

碳材料的结构一般分为两类：晶体结构和非晶结构。

其中晶体结构最常见的是石墨烯，它是由平面上的碳原子构成的二维晶体，具有高电导率和热导率。

而非晶结构常见的是活性炭、炭黑等，它们由碳原子构成的无序的网络结构，具有高比表面积和吸附性能。

石墨烯是目前研究最为热门的碳材料之一，其电子和光学性质十分独特。

在石墨烯中，每个碳原子都形成了 sp2 杂化轨道，与三个相邻的碳原子形成了平面六面体的结构，构成石墨烯的基本单元。

这种结构使得石墨烯能够承受非常高的机械应力，同时具有优异的导电性和热导性。

石墨烯的超高表面积和超导特性，也使其在能源储存和传输领域有重要的应用。

碳纳米管也是一种具有独特结构和性能的材料。

它们是由由一层或多层石墨烯卷曲而成的长管状结构，可以单独存在，也可以成为多维结构的一部分。

碳纳米管具有良好的机械性能，高比表面积和强烈的基态荷电性质，因而被广泛应用于电子器件、生物传感器和纳米机器人等领域。

碳纤维是由碳纤维原料制成的纤维材料，具有高强度、高模量、低密度、高温、耐腐蚀等性能。

它广泛应用于飞机、汽车、船舶、体育用品等领域。

碳纤维的制备流程相对复杂，需要在高温、高压、特定气氛下进行，才能得到高品质的碳纤维材料。

总之，碳材料的结构与性能研究已经成为近年来材料科学领域的一个重要方向。

随着科技的不断发展，碳材料的应用将越来越广泛。

我们需要不断深入研究碳材料的性质与特性，探究其制备与应用的可行性，尽可能发掘碳材料的潜在性能，开拓更广阔的应用前景。

聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。

本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。

关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。

碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。

PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。

2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。

碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。

碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。

PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。

碳纤维t的分级全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：碳纤维是一种高性能的材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐疲劳等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。

碳纤维的分级是根据其纤维直径、纤维成分和结构等因素来划分的，不同的级别有着不同的性能和应用领域。

下面来详细介绍碳纤维的分级：一、根据纤维直径分级根据碳纤维的纤维直径的不同，可以将碳纤维分为微细纤维、中等纤维和粗大纤维三个级别。

1. 微细纤维微细纤维是指直径小于5微米的碳纤维，通常由原始纤维经过微型化处理得到。

微细纤维具有很高的比表面积和拉伸强度，适用于制作高性能的复合材料和纤维增强材料，也可以用于生物医学领域的应用。

2. 中等纤维中等纤维是指直径在5-10微米之间的碳纤维，具有较高的强度和刚度，适用于航空航天、汽车和船舶等领域的结构材料，也可以用于体育器材和工业设备的制造。

3. 粗大纤维粗大纤维是指直径大于10微米的碳纤维，主要用于制作耐磨、耐高温和耐化学腐蚀的材料，如制动片、耐火材料和化工设备等。

1. 聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈基碳纤维是最常见的碳纤维材料，通常由聚丙烯腈纤维经氧化、碳化等工艺处理得到。

聚丙烯腈基碳纤维具有优异的机械性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、汽车和体育器材等领域。

芳纶基碳纤维是一种高强度、高模量的碳纤维材料，具有良好的耐热性和耐磨性，适用于高温、高速和高强度要求的领域，如航空发动机、高速列车和船舶等。

3. 其它特种碳纤维除了上述两种常见的碳纤维材料外，还有一些特种碳纤维，如含硼、含硅和含氧碳纤维等，具有特殊的性能和应用特点，适用于特定的高端领域。

三、根据结构特点分级纤维束是将多根碳纤维捆绑在一起形成的束状材料，有着较高的拉伸强度和弯曲性能，适用于各种复合材料的增强。

纤维布是将碳纤维穿织或编织成布状材料，具有良好的成型性和抗拉性能，适用于制作各种复杂形状和大面积的复合材料。

3. 非织造布总结：碳纤维的分级是根据其纤维直径、纤维成分和结构等因素来划分的，不同的碳纤维级别有着不同的性能和应用领域。

不同级别碳纤维结构特点
不同级别的碳纤维结构特点有所不同，以下是各级别碳纤维的结构特点：
1. 一级碳纤维：具有高强度、高模量、低蠕变等特点，其拉伸强度和弹性模量均高于钢，且在高温下仍能保持较高的力学性能。

2. 二级碳纤维：高强度、高模量、良好的耐腐蚀性和抗氧化性、尺寸稳定性好、低蠕变、优良的耐磨损性、良好的导电导热性、阻燃性能好、可设计性强。

3. 三级碳纤板：表面光滑无接缝、厚度均匀、有韧性、耐高温可达300°C、绝缘性好、防静电、耐油污、使用寿命长。

4. 四级碳纤板：表面平滑、厚度一致，可以用于制作防弹背心和潜水艇等特殊场合。

总之，不同级别的碳纤维结构特点各异，根据不同的应用场景选择合适的碳纤维材料才能达到最佳的性能。