聚丙烯腈基碳纖維的結(jié)構(gòu)

   聚丙烯腈基碳纖維由高度取向、優(yōu)先平行于纖維軸的兩向亂層石墨結(jié)構(gòu)結(jié)晶構(gòu)成，具有兩相結(jié)構(gòu)。碳纖維的結(jié)構(gòu)模型，可用非均相的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)描述，如微纖維、層狀、圓周徑向形(洋蔥皮)二維結(jié)構(gòu)和鞘一芯及三維模型，這些模型可以解釋碳纖維存在的石墨化的高度取向和結(jié)晶，相對(duì)較小的結(jié)晶尺寸而含有的大量洞穴孔隙，幾種微觀結(jié)構(gòu)的不勻性和缺陷。事實(shí)上，在預(yù)氧化和碳化過(guò)程中，對(duì)纖維施加張力拉伸，使石墨單元優(yōu)化取向，可提高碳纖維的強(qiáng)度和模量，提高熱處理溫度將增大碳纖維的結(jié)晶尺寸，見(jiàn)表1-1。

表1-1PAN基碳纖維的結(jié)晶尺寸

    碳纖維的密度和結(jié)晶密度分別在1.74~1.86g/cm³和2.03~2.21g/cm³,可見(jiàn)碳纖維具有明顯的洞穴結(jié)構(gòu)，這些孔隙直徑非常小，垂直于纖維軸分布，孔的平均直徑是熱處理溫度的函數(shù)。

          碳纖維的微結(jié)構(gòu)中還存在無(wú)序結(jié)構(gòu)。在相對(duì)完整層平面之間的連接區(qū)域造成晶粒間的無(wú)序結(jié)構(gòu)，層平面間不完善產(chǎn)生的晶格扭曲造成晶粒內(nèi)的無(wú)序結(jié)構(gòu)。最近的研究表明，這種無(wú)序結(jié)構(gòu)與碳纖維的壓縮強(qiáng)度密切相關(guān)。

         碳纖維的表面結(jié)構(gòu)也是一個(gè)重要參數(shù)，它決定纖維與基體樹(shù)脂的結(jié)合性能。表面積和表面洞孔相關(guān)，也與纖維的表面處理工藝有關(guān)。一般PAN基碳纖維具有均勻的橫斷面和光滑的表面，其表面積隨表面處理效果提高而增大。

  2.聚丙烯基碳纖維的性能

  PAN基碳纖維按照加工工藝的不同，力學(xué)性能有很大的差異，可分為：

  (1)通用型：拉伸強(qiáng)度低于1.4GPa，拉伸模量小于130GPa。

  (2)高強(qiáng)型(HS):拉伸強(qiáng)度3~7GPa。

  (3)高模型(HM),拉伸模量300~900GPa。

  PAN基碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)使它具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能和熱性能。與金屬相比，碳纖維的密度小，因此比強(qiáng)度和比模量高。碳纖維的耐磨耗性、潤(rùn)滑性?xún)?yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小(0~1.1×10^-6K^-1),在惰性氣體中耐熱性?xún)?yōu)良，耐化學(xué)腐蝕性好，不生銹，振動(dòng)衰減性?xún)?yōu)良，耐疲勞強(qiáng)度高，生物體適應(yīng)性好，有導(dǎo)電性、電磁波屏蔽性。因此，PAN基碳纖維與樹(shù)脂基體的復(fù)合材料是一種高性能結(jié)構(gòu)材料。