PAN基碳纤维微观结构与其性能相关性研究.pdf

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1、第41卷第3期化工新型材料Vo1．41NO．32013年3月NEWCHEMICALMATERIALS·57·PAN基碳纤维微观结构与其性能相关性研究李连贵敖玮孙秀花敖玉辉(长春工业大学化学与生命科学学院，长春130012)摘要借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和小角z射线衍射(SAXS)等微观结构表征手段，对国内不同厂家生产的3种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维内部存在的大孔和微孔等微观结构进行了系统测试、分析。研究结果发现，3种PAN基碳纤维内部都存在着大孔和微孔结构，且这些孔隙结构对碳纤维的机械性能有很大影响，若碳纤维的大尺寸孔洞

2、少，而微孔分布均匀、沿纤维轴取向度高，则碳纤维的综合性能较高。关键词聚丙烯腈，碳纤维，微观结构，微孔ResearchoncorrelationofmicrostructureandperformanceofPANbasedcarbonfiberLiLianguiAoWeiSunXiuhuaAoYuhui(SchoolofChemical＆LifeScience，ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012)AbstractUseingthemicrostructurecharacterization

3、meansofscanningelectronmicroscopy(SEM)，transmissione—lectronmicroscopy(TEM)，smallangleX-raydiffraction(SAXS)andsystemictest，analyzedthemicrostructureofpolyacry—lonitrile(PAN)basedcarbonfibersproductofdomesticthreedifferentmanufacturers，whichweremacroporousandmicro—porousstruct

4、urewithinits．Theresultsshowedthat，thereweremacroporousandmicroporousstructurewithinthethreekindsofPAN-basedcarbonfibers，andhadgreatinfluenceonmechanicalpropertyofcarbonfiber．Ifthecarbonfiberhadlessmacroporouswhilehadwelldistributedmicroporous，ithadhighlyorientedalongthefiberax

5、ialdirection．KeywordsPAN，carbonfiber，microstructure，microporosity碳纤维是一种含碳量在9O以上的无机高分子材料，目1实验部分前被广泛用作复合材料的基体增强材料。其中，聚丙烯腈(PAN)基碳纤维以其高强度、高模量、价格低廉、碳含量高、可1．1主要原料．加工性能好、耐高温和耐腐蚀性强等一系列优异性能，而成为实验研究所用的PAN基碳纤维编号、产地、拉伸强度等碳纤维材料中发展速度最快的高性能碳纤维_1]，被广泛应用见表1。于航空航天、国防军工以及民品生产领域[2，微观结构是决表1实验用PAN碳

6、纤维定碳纤维具有上述优异性能的主要内在因素，在碳纤维的诸多微观结构方面，具有一定排列分布的细长微孔对碳纤维性能的影响很大，而碳纤维中的微孔尺寸分布较广，可从几nm到数十nm[]。正因如此，对于碳纤维微孔的尺寸以及微孔取向等方面的研究时有报道[6]。本实验研究是利用电子显微镜、z射线衍射仪等专业分析检测仪器对PAN基碳纤维的内部微孔进行表征分析，并系统研究碳纤维的微观结构与其力1．2主要测试设备学性能之间的关系。JSM-5500型扫描电子显微镜，日本JEOL公司生产；在碳纤维实际生产过程中，如何控制好生产工艺条件，以Mic]『EOL2000ex型透射

7、电子显微镜，日本JEOL公司生产；D／便将产品的结构缺陷控制在设计指标之内，并使产品的性能MAX2000／PC型X射线衍射仪，日本理学生产。达到设计指标要求，这样理想的碳纤维生产系统控制理论至1．3实验方法今也没能真正形成。所以，深入研究PAN基碳纤维微观结构1．3．1碳纤维的形貌结构研究与其性能的相关性，对于改进PAN碳纤维生产工艺技术，减采用JSM-5500型扫描电子显微镜(SEM)对碳纤维的表少甚至消除产品的皮芯结构，减少孔洞，以提高碳纤维的性能面和横断面的形貌进行观察分析，测试电压：0～30kV；分辨有着十分重要的意义[7-8]。率：30m

8、m；放大倍数：3000倍。基金项目：吉林省“十大’重大科技成果转化项目[聚丙烯腈基碳纤维原丝大规模产业化技术开发(11zD