PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究.pdf

《PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、助锨材料2012年第16期(43)卷PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究谭婷婷，王成国，井敏，冯志海。，杨云华。，陈呖，谢奔(1．山东大学山东省碳纤维工程技术中心，山东济南25006l；2．山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101；3．航天材料及【艺研究所，北京100076)摘要：采用场发射扫描电子显微镜、广角X射线T700SC一12000—50C(简称T700S)和T7oOG一12000—衍射、元素分析、高分辨透射电子显微镜对东丽50C(简称T700G)，日本东邦公司的一种PAN基碳纤T700S、T700G和东邦UT5003种碳纤维的表面和断维，

2、牌号为UT500—12000-E30(简称UT500)。这3种面形貌、化学组成及石墨微晶等微观组织结构进行了碳纤维的力学性能如表1所示。表征，比较了这3种碳纤维的微观结构差异，并分析了表1T7O0S、TTO0G和UT500的出厂力学性能指标这些差异对力学性能的影响。结果表明，T700G碳元Table1FactorypropertyindicatorsofTT00S，T700G素含量较高，氮元素含量较低，它的石墨微晶尺寸较andUT500carbonfibers大，取向度较高，这是它比T700S拉伸模量高但断裂项目T7OOST7OOGUT5OO伸长率低的原因；Ur5oo的

3、表面结构与断面结构不如拉伸强度(GPa)4．904．905．O()T700S和T700G好，微晶尺寸也较小，但它的直径略拉伸模量(GPa)23O240240细，而且石墨微晶内(002)晶面排列比T700S和断裂伸长率()2．12．()2．1T700G更规整，导致UT500的综合力学性能略优于体密度(g／cm。)l_8Ol_8O1．8OT700S和T700G。直径(“m)7．07．06．9关键词：PAN基碳纤维；微观组织结构；力学性能2．2测试方法和仪器中图分类号：TSlO2．43文献标识码：A采用日本日立公司SU一70型热场发射电子扫描文章编号：1001—9731(20

4、12)16-222605显微镜(FESEM)观察碳纤维的表面和断口形貌，测试电压为3kV。1引言采用德国布鲁克公司AXSD8型x射线衍射仪碳纤维是一种新型高性能无机纤维材料，具有高(XRD)通过赤道扫描、子午扫描及赤道(002)晶面衍射比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导峰方位角扫描测定碳纤维的石墨微晶结构。CuKa辐电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性射源，A一0．1541nm，加速电压40kV，电流强度能j。作为一种高技术材料，碳纤维已广泛应用于航40mA，扫描问隔为0．1。。按式(1)、(2)和(3)分别计空航天、国防军事等尖端领域以及高

5、级体育用品、医疗算碳纤维中石墨微晶平均堆叠尺寸L、晶面间距和器械等民用行业。微晶取向度Ⅱ：碳纤维的性能是由其微观组织结构所决定的。KL—B一——os0(1)碳纤维的微观组织结构包括表面结构、石墨微晶结构、c孔隙结构、取向结构等几个方面。不同力学性能的碳c，一(2)纤维的微观结构特征一定不同；即使具有相似的力学厶51Il口180。一H性能，出自不同厂家或经历不同生产工艺的碳纤维也Ⅱ一—面(3)会具有不同的微观结构特征。本文以3种力学性能相似的商品碳纤维一一日本东丽T700S、T700G和日本其中，波长一0．1541nm，0为晶面的布拉格衍射东邦UT5O0作为研究对象，详细

6、分析了它们的微观结角，B是晶面衍射峰的半高宽，K是常数，在计算石墨构，讨论了引起力学性能细微差异的微观结构特征，旨微晶沿纤维径向相关参数时取0．94，在计算石墨微晶在为国内碳纤维的研制提供理论依据。沿纤维轴向相关参数时取1．84；H是方位角衍射峰半高宽，单位为(。)。2实验采用德国ElementarAnalysensysteme公司生产2．1原材料的VarioELIll型元素分析仪对碳纤维的C、N和H等日本东丽公司的两种PAN基碳纤维，牌号为元素含量进行分析。基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB605601)；国家自然科学基金资助项目(

7、50902088)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FQ013，ZR2010BQ032)收到初稿日期：201203—05收到修改稿日期：2012—04—09通讯作者：王成国作者简介：谭婷婷(1988-)，女，山东潍坊人，在读硕士，师承王成国教授，从事碳纤维结构的表征研究。2228助材料2012年第16期(43)卷此外，碳纤维表面沟槽的宽度、深度以及平行度还(002)晶面衍射为强衍射峰；子午衍射图谱(图3(b))反映出其前驱体原丝内部原纤结构特征，包括原纤的上的强衍射峰为(]00)晶面衍射峰。表3和4分别是直径、沿轴向的取向度、致密