PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析

1、PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析姓名S3151000统计显示，2004年全国碳纤维用量为4000吨左右，2005年用量在5000吨左右，年增长率20%以上，其中我国碳纤维用量的95%依赖进口高强度PAN（聚丙烯晴）基碳纤维已经从T300（拉伸强度约为3.0GPa、拉伸模量约为230GPa）经过T400H、T700S、T800H逐步发展到T1000G（拉伸强度7.06GPa、拉伸模量约300GPa）根据原子间结合力模型，计算出碳纤维的理论拉伸强度可以达到184GPa，理论拉伸模量可以达到1020GPa，目前世界上最好的碳纤维强度不足理论值的5%，实际碳纤维模量只能达到理论值的67.7

2、%碳纤维概述石墨化阶段预氧化阶段碳化阶段在惰性环境中加热至1800 ，进一步脱去N、O等非碳元素形成碳纤维在2000-3000 下石墨化化，进一步提高性能在200-300氧化环境中，使聚丙烯晴环化脱氢，放出NH3、CO2、H2O、HCN等PAN原丝制备碳纤维的过程SampleTensilestrength /GPaTensileModulus /GPaElongation/%Density /( g /cm3 )Diameter /mT3003 532301 51 768 0T700S4 902302 11 807 3T800H5 492941 91 815 3本研究选取的三种PAN 基碳纤维

3、T300，T700S 和T800H 的出厂性能指标扫描电子显微镜X 射线衍射仪小角X射线散射仪表面形貌、断口形貌石墨微晶结构孔隙结构微观结构差异力学性能=三种实验仪器表面形貌分析T300和T800H的表面有沿纤维轴向的沟槽形貌，说明它们由湿纺工艺制备T800H的表面沟槽比T300的更浅、宽窄更均匀而且平行度更好。T700S的表面比较光滑，只有丝丝缕缕的纹理，与T300 和T800H 截然不同三种碳纤维的表面形貌（a）：T300（b）：T700S（c）：T800H碳纤维的表面沟槽形貌来源于其前驱体原丝，是湿法纺丝过程中径向收缩表皮塌陷的结果所以碳纤维表面沟槽的深度、宽度和平行度，直接反映出其前驱

4、体原丝内部原纤的直径、沿轴向取向度和致密性等结构信息所以T800H 的前驱体原丝结构比T300原纤更细、更均匀、排列更致密、取向性更好T700S这种表面形貌体现了其前驱体原丝内部原纤直径较小、排列致密的聚集态结构特征，由此必然带来更高的纤维密度和更低的孔隙率T700S 与T300 相比直径差别不大，但前者的力学性能却大大优于后者;而T800H 直径比T700S细了近2m，但拉伸强度并没有大幅度增加表面沟槽以及所反映出的原纤结构特征对碳纤维力学性能的影响很大断口形貌分析三种碳纤维的单丝拉断断口形貌图（b）：T300（d）：T700S（f）：T800HT700S 的原纤最细，T800H 略粗，T3

5、00 的最粗拉断断面的颗粒状结构，可以反映出碳纤维中原纤结构的特征乱层石墨微晶结构分析三种碳纤维的赤道扫描图谱（a）晶面间距：其中波长 = 0.1541nm；为晶面衍射峰的衍射角；B是晶面衍射峰的半高；K是常数，取0.94；Sc为(002) 晶面衍射峰面积，St为总散射面积表观结晶度：沿纤维径向的平均尺寸：沿轴向方向的平均尺寸:其中波长 = 0.1541nm；为晶面衍射峰的衍射角；B是晶面衍射峰的半高；K是常数，取1.84；Sc为(002) 晶面衍射峰面积，St为总散射面积三种碳纤维的子午扫描图谱(b)晶面间距:Sampled002 /nmd100 /nmLc /nmLa /nmXc /%T3

6、000 35500 20871 38763 818862 40T700S0 35330 20671 49073 866967 16T800H0 3543 0 20821 53724 040766 27算出的数据T300 的石墨微晶尺寸小而且极不完善，这是T300 的拉伸强度、断裂伸长率和密度均较低的重要原因三种碳纤维的赤道方位角衍射图谱石墨微晶取向度： 为石墨微晶沿轴向取向度，H 是方位角衍射峰半高宽，单位为( )经过计算，T300，T700S 和T800H 石墨微晶的取向度分别为78.3% ，78.5% 和80.3%T300和T700S的石墨微晶取向度值极为接近，因此，两种碳纤维的拉伸模量也

7、相似T800H 与T700S 相比，石墨微晶沿轴向的取向度更高，平均尺寸更大，说明T800H 的石墨微晶发育较T700S 完善，这是它兼具较高拉伸模量和拉伸强度的根本原因之一但拉伸模量的提高会使断裂伸长率下降，而且T800H 较大的微晶尺寸使轴向的非晶区减小，纤维的脆性增加，也会使断裂伸长率降低。因此，T800H的断裂伸长率小于T700S微孔结构分析当物质中存在微小电子密度的不均匀区，X射线将在原光束方向附件的很小角度区域出现散射，并且其散射强度随散射角的增大而减小。散射体内不同位置的电子对X射线产生散射，其散射波之间发生互相干涉，这个现象称为小角X射线散射现象。探测器小角x射线散射基本原理微孔结构分析单个狭长孔和具有取向的稀疏分散狭长孔散射示意图0方位角对应完全平行纤维轴的微孔取向,90方位角则对应于垂直纤维轴的微孔取向c，a分别代表炭纤维内微孔的长轴和短轴尺寸其微孔呈长椭球状，并沿纤维轴向取向因此，从散射图样上看，T300 的微孔较大，T700S 的较小且细长，T800H 的最为细长。一般来说，微孔越小，其SAXS 的散射中心就会越大越明亮，而微孔的长径比越大，散射花纹中心就会越细长三种碳纤维的散射花样（a）：T300（b）：T700S（c）：T800HaSampleT300T700ST800HS1 131 581 88轴向微孔平均尺寸和径向微孔平均尺寸之比S可以用比值S