碳纖維的表面結構力學性能的影響 趙志強學習翻譯

碳纖維的表面結構力學性能的影響 趙志強學習翻譯

關鍵詞

A.碳纖維

A.碳 - 碳複合材料（CCC）

B.界面/界面

B.機械性能

1 。摘要

碳纖維廣泛用作複合材料中的結構增強材料，用於要求優異機械性能和重量輕的應用[1]，[2]，[3]。目前最商業上可獲得的碳纖維是使用溼法紡絲技術由聚丙烯腈（PAN）前體制備的。在前體的穩定化和碳化過程中，釋放出幾種分解氣體如HCN和H 2 O，這是完全不可避免的[4]。

在本文中，使用四種類型的PAN基碳纖維來製備相同結構和密度的預製件。通過CVI工藝在相同的滲透參數下沉積熱解碳基質。研究了四種PAN基碳纖維的表面結構，包括微孔和表面缺陷，以及機械性能。此外，比較了在C / C複合材料中開發的纖維 - 基體界面的微觀結構和機械性能。對樣品的界面形成過程進行了建模，並討論了C / C複合材料的結構 - 性質關係。

要點1

2 。試驗

2.1 。物料

本研究中使用的PAN基碳纖維是市售的12K 碳纖維CF-I（收到，來自威海拓展纖維有限公司中國的GQ3522-12K），CF-II（收到，來自威海拓展纖維的GQ4922-12K） Co。China）和CF-III（收到，Toray Industries，Inc。的T300-12K）。 在55 ℃ 下用硝酸（65％）將CF-II表面改性60 分鐘，並將所得碳纖維標記為CF-IV。

2.2 。PAN基碳纖維表面結構的表徵

2.2.1 。碳纖維表面的微觀結構分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM，Nova Nano SEM230）獲得所研究的PAN基碳纖維的表面形態。使用Veeco NanoManTM VS + MultimodeV原子力顯微鏡以輕敲模式進行碳纖維的原子力顯微鏡（AFM）成像。使用雙面膠帶將單纖維固定在樣品架上。通過安裝的軟件獲得微區域的表面粗糙度（R a）。對每種碳纖維測試至少五根長絲。

2.2.2 。用拉曼光譜研究碳纖維的表面結構

使用XY拉曼顯微光譜儀（LabRAM Aramis，Jobin Yvon），使用532nm的激光波長和2.1mW的 固定功率進行拉曼分析， 因為碳纖維可能對激光產生的熱非常敏感。用50倍放大物鏡聚焦激光，光斑直徑為 1μm。對於每個光譜，累積時間為50 秒。光譜在1000至1800年測量 釐米-1範圍內。將碳纖維樣品直接放置在顯微鏡載物臺上，並光學選擇表面區域。每個樣品的表徵涉及20種不同的單纖維。

2.2.3 。單絲碳纖維的抗拉強度

根據ASTM標準D3379-75中描述的方法，使用單絲纖維拉伸試驗測量碳纖維的拉伸強度。測試超過60根長絲以獲得平均值。

要點2

3.1 。碳纖維的表面結構

圖2顯示了通過SEM和AFM觀察到的CF-1，CF-II，CF-III和CF-IV的表面形貌。所有四種類型的碳纖維都具有沿碳纖維縱向平行分佈的凹槽。值得注意的是，CF-III的表面（圖 2（e）和（f））相對平滑，凹槽在寬度和深度上幾乎均勻分佈，而CF-I的凹槽（圖 2（a）） （b））和CF-II（圖 2（c）和（d））在某種程度上更寬和更深。CF-II 在接收狀態下的三種碳纖維中具有最高的表面粗糙度（R a）。

圖2。PAN基碳纖維表面的SEM和AFM圖像：CF-1（a和b）; CF-II（c和d）; CF-III（e和f）; CF-IV（g和h）。

拉曼光譜廣泛用於定量分析碳材料結構中存在的無序，分析深度為100 nm [21]。1000之間所研究的碳纖維的表面的拉曼光譜 釐米-1和1800 釐米-1分別顯示在圖 3（a）中。碳纖維的光譜顯示出兩個寬峰，這表明碳纖維表面的石墨結晶區域具有非常小的尺寸[22]，[23]。使用Origin 9.0內置擬合程序的Voigt線形光譜的擬合結果如圖 3所示（b）中，這涉及四個組成部分：在1190為中心的峰 釐米-1（D4峰），1370 釐米-1（D1峰）1520 釐米-1（D3峰）和1597年 釐米-1（G峰）。D4峰對應於C

H共價鍵[10]，D1峰源自具有A 1g對稱性的振動，其由缺陷或石墨晶格中存在的無序激活。D3峰通常分配給無定形碳[24]，其以間隙無序碳的形式存在，具有sp 3連接。碳材料的拉曼光譜中的G峰表明存在石墨sp 2相對應於二維石墨烯類結構的面內鍵合拉伸[25]。。如在顯示出圖 3（c）中，我D1 / I G ^在硝酸處理後，CF-II表面的比例從2.33變為3.17，這表明在CF-IV表面形成缺陷。然而，CF-II和CF-IV 的I D4 / I G比和I D3 / I G比沒有那麼大變化，這可能解釋為硝酸處理主要影響石墨中存在的缺陷或無序。碳纖維表面晶格。由於平均面內長度（大號一個）呈負相關I的值D1 / I G ^ [24]中，增加的I D1 / I G ^CF-IV意味著CF-IV中石墨結構的面內長度比CF-II短。可以推斷，氧化處理破壞了表面的石墨結構，並在表面產生了邊緣平面和缺陷，導致CF-IV 中L a的減少。

圖3。CF-1，CF-II，CF-III和CF-IV的拉曼結果：（a）碳纖維表面的拉曼光譜; （b）碳纖維的拉曼光譜的曲線擬合結果; （c）I D4 / I G比，I D1 / I G比和碳纖維表面的I D3 / I G比。

製備碳纖維表面的橫截面切片用於TEM觀察。圖4顯示了碳纖維表面區域的TEM形態。觀察到微孔分佈在CF-1，CF-II和CF-IV的表面區域。然而，在CF-III的表面區域沒有看到微孔（圖4（c1））。有人提出這些空隙是由於消除了PAN基前體碳纖維製造過程中產生的氣體而產生和殘留[4]，[5]，這也可能是造成粗糙表面的原因之一碳纖維。

圖5顯示了C / C樣品的碳纖維和熱解碳層之間的界面區域的TEM圖像。根據碳纖維的波狀表面輪廓，四個樣品中的熱解碳層緊密地在碳纖維外生長。由於CF-1，CF-II和CF-IV的相對粗糙的表面，複合材料形成了纖維和基質彼此鎖定的界面。然而，熱解碳在C / C-III中的CF-III表面上有規律地沉積和排列（圖 5（c））。

圖5。通過TEM觀察C / C複合材料中碳纖維與熱解碳層界面面積的微觀結構：（a）C / CI樣品; （b）C / C-II樣本; （c）C / C-III樣本; （d）C / C-IV樣本。紅色箭頭和黃色箭頭表示碳纖維表面碳平面的生長方向和界面區域沉積的熱解碳。（有關此圖例中對顏色的引用的解釋，讀者可參考本文的Web版本。）

值得注意的是，在C / C-II碳纖維表面附近仍存在不同尺度的封閉微孔（圖 5（b）），表明在界面處纖維表面區域的封閉空隙沒有明顯變化。儘管有可能碳纖維的最外表面可能參與與熱解碳形成的界面。如從觀察圖 5（a）和（d），CF-1和CF-IV表面區域的微孔消失，似乎碳纖維表面區域的結構在與熱解碳形成界面時發生變化。碳纖維表面的碳原子重新排列，微孔可能會消失或轉變為界面中的針狀裂縫。碳纖維和熱解碳的機械互鎖以及化學鍵合存在於這種相容的界面中。圖5中的箭頭表示碳纖維表面的碳平面的生長方向（紅色箭頭）和界面區域的沉積的熱解碳（黃色箭頭）。

3.4 。碳纖維表面結構與C / C複合材料纖維/熱解碳界面的關係

一般而言，PAN前體纖維表面和製造工藝都是碳纖維表面形態的原因[29]。當與基質形成界面時，碳纖維的不同表面特性將起不同作用。圖8顯示了碳纖維的表面結構與C / C複合材料中與熱解碳的界面形成之間的關係。在熱解碳沉積過程中，碳纖維表面起到基面的作用，因此碳纖維的表面結構在與熱解碳形成界面中起著關鍵作用。

4 。結論

結合本研究中單纖維強度和C / C複合材料力學性能的結果，可以肯定碳纖維表面附近的空隙或缺陷很少有利於與熱解碳的界面形成，並不總是需要選擇高強度碳纖維，用於獲得具有更好機械性能的C / C複合材料。在衝擊載荷下，更好的碳纖維拉伸應變對於C / C複合材料的更好的延展性和能量吸收是至關重要的。碳纖維的表面處理被認為是改善C / C複合材料界面性能的有效方法，儘管表面處理過程中引起的表面缺陷會降低碳纖維的拉伸性能。

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