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聚丙烯腈(PAN)基高强高模纤维是一种各向异性的增强材料。在石墨化过程中,碳纤维中的碳原子会在高温场的作用下发生重排,微观结构由二维乱层石墨结构转化为三维类石墨结构。碳纤维是由六方石墨微晶堆叠而成的,纤维中微晶的堆叠方向优先与纤维轴垂直,而石墨层面则沿纤维轴择优取向,取向度的大小决定了纤维的模量,因此研究碳纤维的微晶尺寸、结晶性能和取向度对改善碳纤维的力学性能至关重要。
本文采用扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、拉曼(Raman)光谱和X射线衍射(XRD)四种表征手段研究了5种自制高强高模碳纤维的表面形貌和微观结构,并与日本东丽公司的MJ系列碳纤维和T800碳纤维做了比较。然后以日本东丽公司T800碳纤维为原料,经不同条件的连续石墨化处理得到性能不同的高强高模碳纤维,并研究了石墨化温度、石墨化时间和牵伸率对石墨化过程中碳纤维结构的影响,以及石墨化条件对力学性能和密度的影响,以确定最优化工艺参数。
SEM和HRTEM结果表明,T800、MJ及自制高强高模碳纤维表面均有沿纤维轴方向的沟槽,在碳纤维的制备工艺中机械损伤较少,未发现明显的孔洞、裂纹、划伤等缺陷。高强高模碳纤维是由晶区和非晶区组成的,石墨层排布规整度顺序为HMCF-5>HMCF-4>HMCF-3>HMCF-2>HMCF-1。
XRD和Raman光谱结果表明,T800的石墨微晶层间距(d002)较大,微晶堆砌厚度(Lc)和石墨网平面尺寸(La)最小。从HMCF-1到HMCF-5碳纤维的微晶堆砌厚度和石墨网晶面尺寸逐渐增大,而石墨微晶层间距和取向角逐渐减小,取向度和结晶度依次增大。与MJ碳纤维相比,自制HMCF-4和HMCF-5碳纤维的结晶度、微晶尺寸和择优取向度大于M55J,石墨微晶层间距小于M55J。
随着石墨化温度的升高,D峰和G峰的半高宽均减小,R值减小,石墨化程度增大。当石墨化温度升高,石墨微晶尺寸、结晶度及取向度均逐渐增大,而石墨微晶层间距和取向角则逐渐减小。牵伸率的增大有助于石墨微晶沿纤维轴的取向角减小,使择优取向度增加,因此会使得石墨微晶层间距减小,同时使石墨网平面网尺寸在牵伸力的作用下沿纤维轴伸展。延长石墨化时间,石墨网平面尺寸增加,石墨微晶层间距减小。
碳纤维的性能分析表明,随着石墨化温度的升高,拉伸强度依次降低,而弹性模量依次升高。延长石墨化时间和提高石墨化温度也会使碳纤维的变得致密化而使直径和线密度减小。牵伸率的增大势必会使碳纤维的直径和线密度减小。