PAN碳纖維

聚丙烯腈(PAN)基高模量碳纖維是指拉伸模量超過(guò)350 GPa、含碳量在99%以上的一類高性能碳纖維，具有彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能。

PAN基高模量碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可在溫度交變環(huán)境中實(shí)現(xiàn)零膨脹，因此成為航天飛行器、深空探測(cè)等領(lǐng)域的重要原材料。目前PAN基高模量碳纖維已廣泛應(yīng)用于宇航結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，已成為各級(jí)主次結(jié)構(gòu)的核心材料，也是未來(lái)航天材料發(fā)展的重點(diǎn)。

微觀結(jié)構(gòu)

碳纖維宏觀性能取決于內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，在高溫石墨化過(guò)程中，中模量碳纖維內(nèi)部的二維亂層石墨結(jié)構(gòu)逐漸向三維石墨微晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而且隨著石墨化溫度提升，纖維內(nèi)部石墨微晶層間距下降，微晶尺寸則不斷提升，因此碳纖維拉伸模量隨之增加。

在石墨化過(guò)程中碳纖維拉伸模量隨著石墨微晶層間距下降及石墨微晶堆砌厚度增加而提高；碳纖維石墨微晶層間距和微晶取向是影響纖維拉伸強(qiáng)度兩個(gè)主要因素。

 PAN基高模量碳纖維Raman光譜D峰及 G峰結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸模量的關(guān)系

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導(dǎo)電導(dǎo)熱性能

金屬材料熱傳導(dǎo)以電子為主，而PAN基高模量碳纖維作為具有石墨結(jié)構(gòu)的非金屬材料，其熱傳導(dǎo)以聲子傳導(dǎo)為主，聲子是晶格振動(dòng)波的能量量子化，具有離子性和波動(dòng)性。

由于聲子平行自由行程受結(jié)構(gòu)缺陷、雜質(zhì)、孔隙等結(jié)構(gòu)影響，一般而言，碳纖維石墨層面越發(fā)達(dá)、取向越高，熱導(dǎo)率越高隨拉伸模量提高，纖維導(dǎo)熱性能也隨之提升；而隨碳纖維體密度的提高及石墨微晶尺寸的增大，晶體的缺陷減少，結(jié)構(gòu)有序度提高，致使聲子導(dǎo)熱增強(qiáng)，從而使熱導(dǎo)率逐漸升高PAN基高模量碳纖維內(nèi)部石墨結(jié)構(gòu)使其具有一定導(dǎo)電性，而且其導(dǎo)電性能與熱處理溫度、石墨化程度及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。隨著熱處理溫度升高，纖維內(nèi)部石墨化程度增加，石墨層面逐漸增大而且沿纖維軸向有序排列，因此纖維導(dǎo)電性越好。

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表面結(jié)構(gòu)改性

PAN基高模量碳纖維經(jīng)2 000～3 000 ℃高溫石墨化制備得到，纖維表面呈現(xiàn)極高的化學(xué)惰性結(jié)構(gòu)，用于樹脂基體增強(qiáng)時(shí)，纖維與基體界面結(jié)合極弱。PAN基高模量碳纖維的惰性表面結(jié)構(gòu)可以顯著影響復(fù)合材料力學(xué)性能，因此，必須對(duì)其表面進(jìn)行改性處理以提高纖維表面活性。

高模量碳纖維表面電化學(xué)氧化過(guò)程分兩步進(jìn)行，纖維惰性表面結(jié)構(gòu)首先在電化學(xué)作用下發(fā)生化學(xué)刻蝕，并在表面產(chǎn)生少量含氧官能團(tuán)，而化學(xué)刻蝕作用致使碳纖維拉伸強(qiáng)度下降；隨后，隨著電流密度增加、氧化程度提升，化學(xué)刻蝕作用逐漸增強(qiáng)并導(dǎo)致纖維表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定化學(xué)交聯(lián)，而該交聯(lián)結(jié)構(gòu)有助于纖維拉伸強(qiáng)度提升，因此在高強(qiáng)度氧化作用下纖維拉伸強(qiáng)度又出現(xiàn)一定幅度增加。

經(jīng)過(guò)改性處理后，國(guó)產(chǎn)M55J級(jí)高模量碳纖維在保持高拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，其增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度也突破了70 MPa。由于高模量碳纖維具有更高碳元素含量和更完善石墨結(jié)構(gòu)，因而在導(dǎo)電、導(dǎo)熱等領(lǐng)域相比于傳統(tǒng)的中模量碳纖維具有一定的優(yōu)勢(shì)，，因此如何充分發(fā)揮高模量碳纖維的其他優(yōu)異特性，開(kāi)發(fā)高模量碳纖維的功能化產(chǎn)品也會(huì)成為未來(lái)研究方向之一。

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PAN基高模量碳纖維的表面氧化機(jī)制

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制備方法

PAN基碳纖維的制備主要包括聚合、紡絲、預(yù)氧化 (穩(wěn)定性) 、碳化、表面處理和碳纖維的形成等幾步。PAN前體的制備方式主要有干濕紡絲, 熔融或者靜電紡絲。

在生產(chǎn)和生活中, PAN生絲的濕紡工藝是主要的。針對(duì)濕法紡絲工藝進(jìn)行改進(jìn), 最終得到的結(jié)果使得原絲的力學(xué)性能、線密度的到了改善, 抗拉伸強(qiáng)度提高。由于干法紡絲和熔融紡絲不適合制備高強(qiáng)度均一的碳纖維, 靜電紡絲還停留在實(shí)驗(yàn)室階段, 所以不成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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