PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析.pdf

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1、第33卷第1期航空材料学报Vo1．33，No．12013年2月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSFebruary2013PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析井敏，谭婷婷，王成国，冯志海，杨云华(1．山东建筑大学材料科学与工程学院，济南250101；2．山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心，济南250061；3．航天材料及工艺研究所，北京100076)摘要：采用扫描电子显微镜、x射线衍射仪、小角x射线散射仪对三种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维T300，T700S，和T800H的结构进行表征，获得几种微观结构信息，包括表面沟

2、槽形貌和拉断断口形貌反映出的前驱体原丝的原纤结构、石墨微晶尺寸及取向程度、微孔尺寸等。结果表明，碳纤维的力学性能不是由某一种微观结构决定的，而是所有微观结构特征的综合表现。T300是三种碳纤维中力学性能最低的，它的这几种微观结构特征参数都较差；T700S比T300的直径略小，但因结构更致密，缺陷更少，所以拉伸强度、断裂伸长率和密度远远高于T300；虽然T800H的原纤结构不如T700S均匀致密，但在单丝直径、剪断断口形貌、石墨微晶取向度和微孔尺寸上优于T700S，因此拉伸强度、拉伸模量和密度更高；但其石墨微晶轴向尺寸较大，造成塑性下降，因此断裂伸长率

3、略小于TTOOS。关键词：碳纤维；微观结构；力学性能doi：10．3969／j．issn．1005-5053．2013．1．014中图分类号：TB321文献标识码：A文章编号：1005—5053(2013)01—0078~8聚丙烯晴(PAN)基碳纤维具有质轻、高比强、1．2测试方法和仪器高比模、耐高温等优点，用其作为增强材料制备的复采用热场发射电子扫描显微镜观察碳纤维的表合材料，在航空航天等领域有广泛的应用¨。碳面和断口形貌，测试电压3kV。采用强度仪将碳纤纤维的力学性能由其结构决定，力学性能不同的碳维单丝拉断得到断口。纤维的结构特征必然不同。弄清当

4、前一些商品碳纤采用x射线衍射仪(XRD)测定碳纤维的石墨维的结构特征，以及这些结构特征与力学性能的相微晶结构。CuKot辐射源，A=0．1541am，加速电压关性规律，不仅可以为制备复合材料时选择碳纤维40kV，电流强度40mA，扫描间隔0．1。。提供参考，更可以为国内碳纤维的研制提供理论依采用BrukerNanoStarU型x射线小角散射系据。统(SAXS)，测定碳纤维的孔隙结构。CuKot辐射采用扫描电子显微镜、x射线衍射仪、小角x源，A=0．1541nm，20范围0．2—2．8。。射线散射仪对它们的表面形貌、断口形貌、石墨微晶表1T300。TT

5、00S和T800H的出厂性能指标结构和孑L隙结构进行了比较，分析了这三种碳纤维Table1Factoryprope~yindicatorsofT300，T700Sand微观结构差异与其力学性能差异的关联性。T800Hcarbonfibers1实验1．1原材料本研究选取的三种PAN基碳纤维，牌号为T300，T700SC和T800HB。这三种碳纤维的基本性能如表1所示。2结果与讨论收稿日期：2011—11—24；修订13期：2012—10—20基金项目：国家“973”项目基金(2011CB605601)；山东省自2．1表面形貌分析然科学基金(ZR2010

6、BQ032)作者简介：井敏(1979一)，女，博士，(E—mail)shandajingm@图1是三种碳纤维的表面形貌，可清楚看出它163．com。们的直径大小和表面特征。T300(图1a)和第1期PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析83表4轴向微孑L平均尺寸和径向微孔平均尺寸之比sTable4theratioSofaxialmicro—pore’Saveragesizeandadialmicr0_p0re，saeragesie参考文献：[1]冯志海．关于我国高性能碳纤维需求和发展的几点想法[J]．新材料产业，2010，(9)：19—24．(

7、FENGZH．Someideaaboutrequirementanddevelop—mefltofhighpropertycarl~onfiberinChina[J]．Advanced3结论MaterialsIndustry，2010，(9)：19—24．)[2]王晓洁．高性能碳纤维表面分析及其力学性能研究[J]．航空材料学报，2006，26(4)：119—122．(1)1"300的直径最大，内部原纤粗大而且均匀(WANGXJ．SurfaceAnalysisofHighPrope~yCarbonFi—性致密性差；其石墨微晶尺寸小且极不完善，层片间be

8、rsandStudyonMechanicalPropertiesefJ]．Journalof结合弱，表观结晶