聚丙烯腈基碳纤维的结构和性能

        聚丙烯腈基碳纤维的结构

   聚丙烯腈基碳纤维由高度取向、优先平行于纤维轴的两向乱层石墨结构结晶构成，具有两相结构。碳纤维的结构模型，可用非均相的微观结构来描述，如微纤维、层状、圆周径向形(洋葱皮)二维结构和鞘一芯及三维模型，这些模型可以解释碳纤维存在的石墨化的高度取向和结晶，相对较小的结晶尺寸而含有的大量洞穴孔隙，几种微观结构的不匀性和缺陷。事实上，在预氧化和碳化过程中，对纤维施加张力拉伸，使石墨单元优化取向，可提高碳纤维的强度和模量，提高热处理温度将增大碳纤维的结晶尺寸，见表1-1。

表1-1PAN基碳纤维的结晶尺寸

    碳纤维的密度和结晶密度分别在1.74~1.86g/cm³和2.03~2.21g/cm³,可见碳纤维具有明显的洞穴结构，这些孔隙直径非常小，垂直于纤维轴分布，孔的平均直径是热处理温度的函数。

          碳纤维的微结构中还存在无序结构。在相对完整层平面之间的连接区域造成晶粒间的无序结构，层平面间不完善产生的晶格扭曲造成晶粒内的无序结构。最近的研究表明，这种无序结构与碳纤维的压缩强度密切相关。

         碳纤维的表面结构也是一个重要参数，它决定纤维与基体树脂的结合性能。表面积和表面洞孔相关，也与纤维的表面处理工艺有关。一般PAN基碳纤维具有均匀的横断面和光滑的表面，其表面积随表面处理效果提高而增大。

  2.聚丙烯基碳纤维的性能

  PAN基碳纤维按照加工工艺的不同，力学性能有很大的差异，可分为：

  (1)通用型：拉伸强度低于1.4GPa，拉伸模量小于130GPa。

  (2)高强型(HS):拉伸强度3~7GPa。

  (3)高模型(HM),拉伸模量300~900GPa。

  PAN基碳纤维的化学结构和物理结构使它具有优异的物理机械性能和热性能。与金属相比，碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的耐磨耗性、润滑性优良，尺寸稳定性好，热膨胀系数小(0~1.1×10^-6K^-1),在惰性气体中耐热性优良，耐化学腐蚀性好，不生锈，振动衰减性优良，耐疲劳强度高，生物体适应性好，有导电性、电磁波屏蔽性。因此，PAN基碳纤维与树脂基体的复合材料是一种高性能结构材料。