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1、助锨材料2012年第16期(43)卷PAN基碳纖維的微觀組織結(jié)構(gòu)與力學性能關(guān)系研究譚婷婷，王成國，井敏，馮志海。，楊云華。，陳嚦，謝奔(1．山東大學山東省碳纖維工程技術(shù)中心，山東濟南25006l；2．山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101；3．航天材料及【藝研究所，北京100076)摘要：采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、廣角X射線T700SC一12000—50C(簡稱T700S)和T7oOG一12000—衍射、元素分析、高分辨透射電子顯微鏡對東麗50C(簡稱T700G)，日本東邦公司的一種PAN基碳纖T700S、T700G和東邦UT5003種碳纖維的表面和斷維，
2、牌號為UT500—12000-E30(簡稱UT500)。這3種面形貌、化學組成及石墨微晶等微觀組織結(jié)構(gòu)進行了碳纖維的力學性能如表1所示。表征，比較了這3種碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)差異，并分析了表1T7O0S、TTO0G和UT500的出廠力學性能指標這些差異對力學性能的影響。結(jié)果表明，T700G碳元Table1FactorypropertyindicatorsofTT00S，T700G素含量較高，氮元素含量較低，它的石墨微晶尺寸較andUT500carbonfibers大，取向度較高，這是它比T700S拉伸模量高但斷裂項目T7OOST7OOGUT5OO伸長率低的原因；Ur5oo的
3、表面結(jié)構(gòu)與斷面結(jié)構(gòu)不如拉伸強度(GPa)4．904．905．O()T700S和T700G好，微晶尺寸也較小，但它的直徑略拉伸模量(GPa)23O240240細，而且石墨微晶內(nèi)(002)晶面排列比T700S和斷裂伸長率()2．12．()2．1T700G更規(guī)整，導致UT500的綜合力學性能略優(yōu)于體密度(g／cm。)l_8Ol_8O1．8OT700S和T700G。直徑(“m)7．07．06．9關(guān)鍵詞：PAN基碳纖維；微觀組織結(jié)構(gòu)；力學性能2．2測試方法和儀器中圖分類號：TSlO2．43文獻標識碼：A采用日本日立公司SU一70型熱場發(fā)射電子掃描文章編號：1001—9731(20
4、12)16-222605顯微鏡(FESEM)觀察碳纖維的表面和斷口形貌，測試電壓為3kV。1引言采用德國布魯克公司AXSD8型x射線衍射儀碳纖維是一種新型高性能無機纖維材料，具有高(XRD)通過赤道掃描、子午掃描及赤道(002)晶面衍射比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻射、導峰方位角掃描測定碳纖維的石墨微晶結(jié)構(gòu)。CuKa輻電、傳熱、減震、降噪和相對密度小等一系列優(yōu)異性射源，A一0．1541nm，加速電壓40kV，電流強度能j。作為一種高技術(shù)材料，碳纖維已廣泛應用于航40mA，掃描問隔為0．1。。按式(1)、(2)和(3)分別計空航天、國防軍事等尖端領(lǐng)域以及高
5、級體育用品、醫(yī)療算碳纖維中石墨微晶平均堆疊尺寸L、晶面間距和器械等民用行業(yè)。微晶取向度Ⅱ：碳纖維的性能是由其微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的。KL—B一——os0(1)碳纖維的微觀組織結(jié)構(gòu)包括表面結(jié)構(gòu)、石墨微晶結(jié)構(gòu)、c孔隙結(jié)構(gòu)、取向結(jié)構(gòu)等幾個方面。不同力學性能的碳c，一(2)纖維的微觀結(jié)構(gòu)特征一定不同；即使具有相似的力學厶51Il口180。一H性能，出自不同廠家或經(jīng)歷不同生產(chǎn)工藝的碳纖維也Ⅱ一—面(3)會具有不同的微觀結(jié)構(gòu)特征。本文以3種力學性能相似的商品碳纖維一一日本東麗T700S、T700G和日本其中，波長一0．1541nm，0為晶面的布拉格衍射東邦UT5O0作為研究對象，詳細
6、分析了它們的微觀結(jié)角，B是晶面衍射峰的半高寬，K是常數(shù)，在計算石墨構(gòu)，討論了引起力學性能細微差異的微觀結(jié)構(gòu)特征，旨微晶沿纖維徑向相關(guān)參數(shù)時取0．94，在計算石墨微晶在為國內(nèi)碳纖維的研制提供理論依據(jù)。沿纖維軸向相關(guān)參數(shù)時取1．84；H是方位角衍射峰半高寬，單位為(。)。2實驗采用德國ElementarAnalysensysteme公司生產(chǎn)2．1原材料的VarioELIll型元素分析儀對碳纖維的C、N和H等日本東麗公司的兩種PAN基碳纖維，牌號為元素含量進行分析?；痦椖浚簢抑攸c基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB605601)；國家自然科學基金資助項目(
7、50902088)；山東省自然科學基金資助項目(ZR2009FQ013，ZR2010BQ032)收到初稿日期：201203—05收到修改稿日期：2012—04—09通訊作者：王成國作者簡介：譚婷婷(1988-)，女，山東濰坊人，在讀碩士，師承王成國教授，從事碳纖維結(jié)構(gòu)的表征研究。2228助材料2012年第16期(43)卷此外，碳纖維表面溝槽的寬度、深度以及平行度還(002)晶面衍射為強衍射峰；子午衍射圖譜(圖3(b))反映出其前驅(qū)體原絲內(nèi)部原纖結(jié)構(gòu)特征，包括原纖的上的強衍射峰為(]00)晶面衍射峰。表3和4分別是直徑、沿軸向的取向度、致密
