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，耐高溫等優異性能，被譽為新材料之王。而這些物理性質，離不開其結構特征。本文將從聚丙烯腈碳纖維的微觀結構，制備工藝，改性等角度來分析其具有優異力學性能的原因。

碳纖維的結構

      碳纖維與普通石墨纖維的片狀結構不同，是亂層結構。通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，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%。孔隙體積含量在0-4%范圍內時，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構：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構

碳纖維的制備工藝

      聚丙烯腈碳纖維的生產過程分別有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，發現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）在紡絲壓力的驅動下，紡絲液經過噴絲孔過程中，大分子鏈已經有一定的取向，經過凝固液后經相分離生成微原纖和原纖的凝膠網絡結構；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，則發現在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了硼化物顆粒。由于硼化物顆粒占據了 PAN 纖維的孔隙，因此在穩定過程中阻礙了氧氣的擴散，并在穩定過程中阻礙了氧化反應。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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