1皮芯結構成因及影響

　　碳纖維在成纖過程中，由于條件的影響，纖維的表皮與芯部常表現出明顯的結構差異這種并存的結構叫作皮芯結構。皮芯結構是碳纖維的一種缺陷結構，降低了碳纖維結構的徑向均一化，導致碳纖維的楊氏模量、拉伸強度等皮層高而芯部低。大量研究表明，皮芯結構具有遺傳性。紡絲原液經過噴絲形成PAN原絲時由于纖維致密化程度不一，會產生皮芯結構；再經過預氧化，纖維外層和內部氧化程度不同，皮芯結構加??；后經過碳化，預氧絲中的皮芯結構將會進一步遺傳到碳纖維中，形成孔洞等結構缺陷，嚴重影響碳纖維 的力學性能。因此，研究表征碳纖維皮芯結構的有效方法，可以為我國生產高性能碳纖維過程中需要的佳工藝條件提供科學的理論依據[1]-[2]。目前較為常用的測試碳纖維的皮芯結構的方法主要有、SEM分析、TEM分析、光學顯微鏡法、拉曼光譜分析等，這幾種方法各有優勢，下面逐一介紹。

2皮芯結構的分析方法

　　2.1

　　SEM分析

　　樣品的制樣主要是利用液氮對樣品脆斷后直接豎直粘在樣品臺上，再利用SEM將樣品放大，如圖是碳纖維原絲的皮芯結構SEM分析圖

　　

　　2.2

　　TEM分析

　　皮芯結構模型由Bennett和Johnson[4]用高分辨透射電子顯微鏡對碳纖維進行了觀察，提出了如圖2所示的皮芯結構模型。其特點是皮層擇優取向高,石墨微晶的層平面在皮層沿纖維軸向排列有序,芯部呈現褶皺的紊亂形態，并在石墨片層之間存在孔洞。由表及里的結構和密度沿徑向有顯著差異。

　　TEM分析皮芯結構，目前主要是將纖維樣品放在以環氧樹脂作為包埋劑中間，待樹脂固化后，用超薄切斷50～100nm的薄片，貼在樣品臺上進行TEM掃描。

　　

　　2.3

　　光學顯微鏡分析法

　　SEM和TEM分析對碳纖維皮芯結構定性分析是比較直觀和準確的，但是沒辦法進行定量分析，肖建文[3]等把碳纖維預氧絲制成樣條，用超薄切片機將碳纖維預氧絲樣條進行切片，切成50-100nm的薄片，再利用光學顯微鏡放大1000倍進行觀察并測量皮芯結構（如圖3所示），將樣品放大，每 個 樣 品 測 量 10～20根單絲的橫截面半徑（rs）和 芯 部 半 徑（rc），取 其 平 均 值。計算出皮芯面積比（Fs），如公式（1）：

　　

　　2.4

　　拉曼光譜分析

　　光學顯微鏡法針對樣品接近圓形時相對比較準確，但是遇到樣品不是規則的圓形時就存在局限性。王浩靜等[5]樹脂包埋碳纖維，進行切片處理制備樣品，利用拉曼光譜分別測定碳纖維橫截面外層的邊緣點（A）的石墨化度RA和中心點（B）的石墨化程度RB，如圖4和公式（3）石墨化程度的計算如公式（2）然后利用RA與RB的比值RAB來定義皮芯因子，如圖5公式（3）。皮芯因子越接近1，碳纖維的均質性越好，越接近0，碳纖維的皮芯結構越嚴重。此方法定量效果好，操作簡單，但是中心點和邊緣點的具體位置如何確定及重復性沒有進行具體說明。

 

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　　其中：

　　I1360cm-1是拉曼光譜中1360cm-1處的峰相對強度，代表亂層石墨碳；

　　I1580cm-1是拉曼光譜中1580cm-1處的峰相對強度，代表規整石墨結構碳；

 

3小結

　　碳纖維的皮芯結構目前尚無完全避免的方法，碳纖維的皮芯結構的主要遺傳于原絲，因此在原絲的制備過程中通過改變原絲的成絲工藝是解決碳纖維皮芯結構的根本及直接的措施，因此在尚無解決皮芯結構的方法之前，對皮芯結構的預防措施和皮芯結構的分析方法的研究表征尤為重要。目前國內外對皮芯結構的預防措施和皮芯結構的影響的研究有很多，對皮芯結構的表征分析方法還沒有系統的研究，我們應該積極開發新的碳纖維皮芯結構的分析方法，建立標準，為高性能的碳纖維的研究提供正確的指導。

　　參考文獻：

　　[1]謝云峰，王亞濤，李順常．碳纖維工藝技術研究及發展現狀［Ｊ］． 化工新型材料，2013，41（5）：25-27．

　　[2]賀 福．碳纖維及其應用技術 ［Ｍ］．北 京：化 學 工 業 出 版 社， 2004：67.

　　[3]肖建文,徐樑華,廉信淑,孔令強,劉長清,于湧濤.預氧絲皮芯結構對碳纖維性能的影響[J].化工新型材料,2013,41(08):117-119+147.

　　[4]F.R.Barnet，M.K.Norr.A Three-dimensional Structural Model for a High Modulus Pan-based Carbon Fibre.Composites,1976,7:93-99

　　[5]王浩靜,劉福杰,范立東,王紅飛,李福平,程璐,龐培東,劉歡. 碳纖維皮芯結構的定量測試方法[P]. 陜西：CN101949827A,2011-01-19.