【技术干货】浅谈碳纤维皮芯结构分析方法

　　碳纤维在成纤过程中，由于条件的影响，纤维的表皮与芯部常表现出明显的结构差异这种并存的结构叫作皮芯结构。皮芯结构是碳纤维的一种缺陷结构，降低了碳纤维结构的径向均一化，导致碳纤维的杨氏模量、拉伸强度等皮层高而芯部低。大量研究表明，皮芯结构具有遗传性。纺丝原液经过喷丝形成PAN原丝时由于纤维致密化程度不一，会产生皮芯结构；再经过预氧化，纤维外层和内部氧化程度不同，皮芯结构加剧；后经过碳化，预氧丝中的皮芯结构将会进一步遗传到碳纤维中，形成孔洞等结构缺陷，严重影响碳纤维 的力学性能。因此，研究表征碳纤维皮芯结构的有效方法，可以为我国生产高性能碳纤维过程中需要的佳工艺条件提供科学的理论依据[1]-[2]。目前较为常用的测试碳纤维的皮芯结构的方法主要有、SEM分析、TEM分析、光学显微镜法、拉曼光谱分析等，这几种方法各有优势，下面逐一介绍。

2皮芯结构的分析方法

　　2.1

　　SEM分析

　　样品的制样主要是利用液氮对样品脆断后直接竖直粘在样品台上，再利用SEM将样品放大，如图是碳纤维原丝的皮芯结构SEM分析图

　　

　　2.2

　　TEM分析

　　皮芯结构模型由Bennett和Johnson[4]用高分辨透射电子显微镜对碳纤维进行了观察，提出了如图2所示的皮芯结构模型。其特点是皮层择优取向高,石墨微晶的层平面在皮层沿纤维轴向排列有序,芯部呈现褶皱的紊乱形态，并在石墨片层之间存在孔洞。由表及里的结构和密度沿径向有显著差异。

　　TEM分析皮芯结构，目前主要是将纤维样品放在以环氧树脂作为包埋剂中间，待树脂固化后，用超薄切断50～100nm的薄片，贴在样品台上进行TEM扫描。

　　

　　2.3

　　光学显微镜分析法

　　SEM和TEM分析对碳纤维皮芯结构定性分析是比较直观和准确的，但是没办法进行定量分析，肖建文[3]等把碳纤维预氧丝制成样条，用超薄切片机将碳纤维预氧丝样条进行切片，切成50-100nm的薄片，再利用光学显微镜放大1000倍进行观察并测量皮芯结构（如图3所示），将样品放大，每 个 样 品 测 量 10～20根单丝的横截面半径（rs）和 芯 部 半 径（rc），取 其 平 均 值。计算出皮芯面积比（Fs），如公式（1）：

　　

　　2.4

　　拉曼光谱分析

　　光学显微镜法针对样品接近圆形时相对比较准确，但是遇到样品不是规则的圆形时就存在局限性。王浩静等[5]树脂包埋碳纤维，进行切片处理制备样品，利用拉曼光谱分别测定碳纤维横截面外层的边缘点（A）的石墨化度RA和中心点（B）的石墨化程度RB，如图4和公式（3）石墨化程度的计算如公式（2）然后利用RA与RB的比值RAB来定义皮芯因子，如图5公式（3）。皮芯因子越接近1，碳纤维的均质性越好，越接近0，碳纤维的皮芯结构越严重。此方法定量效果好，操作简单，但是中心点和边缘点的具体位置如何确定及重复性没有进行具体说明。

 

　　（2）

　　其中：

　　I1360cm-1是拉曼光谱中1360cm-1处的峰相对强度，代表乱层石墨碳；

　　I1580cm-1是拉曼光谱中1580cm-1处的峰相对强度，代表规整石墨结构碳；

 

3小结

　　碳纤维的皮芯结构目前尚无完全避免的方法，碳纤维的皮芯结构的主要遗传于原丝，因此在原丝的制备过程中通过改变原丝的成丝工艺是解决碳纤维皮芯结构的根本及直接的措施，因此在尚无解决皮芯结构的方法之前，对皮芯结构的预防措施和皮芯结构的分析方法的研究表征尤为重要。目前国内外对皮芯结构的预防措施和皮芯结构的影响的研究有很多，对皮芯结构的表征分析方法还没有系统的研究，我们应该积极开发新的碳纤维皮芯结构的分析方法，建立标准，为高性能的碳纤维的研究提供正确的指导。

　　参考文献：

　　[1]谢云峰，王亚涛，李顺常．碳纤维工艺技术研究及发展现状［Ｊ］． 化工新型材料，2013，41（5）：25-27．

　　[2]贺 福．碳纤维及其应用技术 ［Ｍ］．北 京：化 学 工 业 出 版 社， 2004：67.

　　[3]肖建文,徐樑华,廉信淑,孔令强,刘长清,于湧涛.预氧丝皮芯结构对碳纤维性能的影响[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]王浩静,刘福杰,范立东,王红飞,李福平,程璐,庞培东,刘欢. 碳纤维皮芯结构的定量测试方法[P]. 陕西：CN101949827A,2011-01-19.