PAN碳纖維

聚丙烯腈(PAN)基高模量碳纖維是指拉伸模量超過350 GPa、含碳量在99%以上的一類高性能碳纖維，具有彈性模量高、熱膨脹系數小、尺寸穩定性好等優異性能。

PAN基高模量碳纖維增強復合材料可在溫度交變環境中實現零膨脹，因此成為航天飛行器、深空探測等領域的重要原材料。目前PAN基高模量碳纖維已廣泛應用于宇航結構產品中，已成為各級主次結構的核心材料，也是未來航天材料發展的重點。

微觀結構

碳纖維宏觀性能取決于內部微觀結構，在高溫石墨化過程中，中模量碳纖維內部的二維亂層石墨結構逐漸向三維石墨微晶結構轉變，而且隨著石墨化溫度提升，纖維內部石墨微晶層間距下降，微晶尺寸則不斷提升，因此碳纖維拉伸模量隨之增加。

在石墨化過程中碳纖維拉伸模量隨著石墨微晶層間距下降及石墨微晶堆砌厚度增加而提高；碳纖維石墨微晶層間距和微晶取向是影響纖維拉伸強度兩個主要因素。

 PAN基高模量碳纖維Raman光譜D峰及 G峰結構參數與拉伸模量的關系

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導電導熱性能

金屬材料熱傳導以電子為主，而PAN基高模量碳纖維作為具有石墨結構的非金屬材料，其熱傳導以聲子傳導為主，聲子是晶格振動波的能量量子化，具有離子性和波動性。

由于聲子平行自由行程受結構缺陷、雜質、孔隙等結構影響，一般而言，碳纖維石墨層面越發達、取向越高，熱導率越高隨拉伸模量提高，纖維導熱性能也隨之提升；而隨碳纖維體密度的提高及石墨微晶尺寸的增大，晶體的缺陷減少，結構有序度提高，致使聲子導熱增強，從而使熱導率逐漸升高PAN基高模量碳纖維內部石墨結構使其具有一定導電性，而且其導電性能與熱處理溫度、石墨化程度及結構參數有關。隨著熱處理溫度升高，纖維內部石墨化程度增加，石墨層面逐漸增大而且沿纖維軸向有序排列，因此纖維導電性越好。

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表面結構改性

PAN基高模量碳纖維經2 000～3 000 ℃高溫石墨化制備得到，纖維表面呈現極高的化學惰性結構，用于樹脂基體增強時，纖維與基體界面結合極弱。PAN基高模量碳纖維的惰性表面結構可以顯著影響復合材料力學性能，因此，必須對其表面進行改性處理以提高纖維表面活性。

高模量碳纖維表面電化學氧化過程分兩步進行，纖維惰性表面結構首先在電化學作用下發生化學刻蝕，并在表面產生少量含氧官能團，而化學刻蝕作用致使碳纖維拉伸強度下降；隨后，隨著電流密度增加、氧化程度提升，化學刻蝕作用逐漸增強并導致纖維表面與內部結構產生一定化學交聯，而該交聯結構有助于纖維拉伸強度提升，因此在高強度氧化作用下纖維拉伸強度又出現一定幅度增加。

經過改性處理后，國產M55J級高模量碳纖維在保持高拉伸強度的同時，其增強樹脂基復合材料的層間剪切強度也突破了70 MPa。由于高模量碳纖維具有更高碳元素含量和更完善石墨結構，因而在導電、導熱等領域相比于傳統的中模量碳纖維具有一定的優勢，，因此如何充分發揮高模量碳纖維的其他優異特性，開發高模量碳纖維的功能化產品也會成為未來研究方向之一。

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PAN基高模量碳纖維的表面氧化機制

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制備方法

PAN基碳纖維的制備主要包括聚合、紡絲、預氧化 (穩定性) 、碳化、表面處理和碳纖維的形成等幾步。PAN前體的制備方式主要有干濕紡絲, 熔融或者靜電紡絲。

在生產和生活中, PAN生絲的濕紡工藝是主要的。針對濕法紡絲工藝進行改進, 最終得到的結果使得原絲的力學性能、線密度的到了改善, 抗拉伸強度提高。由于干法紡絲和熔融紡絲不適合制備高強度均一的碳纖維, 靜電紡絲還停留在實驗室階段, 所以不成為未來發展趨勢。

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