高模量石墨纤维的膨胀系数（碳纤维的表面结构力学性能的影响）

高模量石墨纤维的膨胀系数（碳纤维的表面结构力学性能的影响）在本文中，使用四种类型的PAN基碳纤维来制备相同结构和密度的预制件。通过CVI工艺在相同的渗透参数下沉积热解碳基质。研究了四种PAN基碳纤维的表面结构，包括微孔和表面缺陷，以及机械性能。此外，比较了在C / C复合材料中开发的纤维 - 基体界面的微观结构和机械性能。对样品的界面形成过程进行了建模，并讨论了C / C复合材料的结构 - 性质关系。碳纤维广泛用作复合材料中的结构增强材料，用于要求优异机械性能和重量轻的应用[1]，[2]，[3]。目前最商业上可获得的碳纤维是使用湿法纺丝技术由聚丙烯腈（PAN）前体制备的。在前体的稳定化和碳化过程中，释放出几种分解气体如HCN和H 2 O，这是完全不可避免的[4]。B.界面/界面B.机械性能1 。摘要

碳纤维的表面结构力学性能的影响 赵志强学习翻译

关键词

A.碳纤维

A.碳 - 碳复合材料（CCC）

B.界面/界面

B.机械性能

1 。摘要

碳纤维广泛用作复合材料中的结构增强材料，用于要求优异机械性能和重量轻的应用[1]，[2]，[3]。目前最商业上可获得的碳纤维是使用湿法纺丝技术由聚丙烯腈（PAN）前体制备的。在前体的稳定化和碳化过程中，释放出几种分解气体如HCN和H 2 O，这是完全不可避免的[4]。

在本文中，使用四种类型的PAN基碳纤维来制备相同结构和密度的预制件。通过CVI工艺在相同的渗透参数下沉积热解碳基质。研究了四种PAN基碳纤维的表面结构，包括微孔和表面缺陷，以及机械性能。此外，比较了在C / C复合材料中开发的纤维 - 基体界面的微观结构和机械性能。对样品的界面形成过程进行了建模，并讨论了C / C复合材料的结构 - 性质关系。

要点1

2 。试验

2.1 。物料

本研究中使用的PAN基碳纤维是市售的12K 碳纤维CF-I（收到，来自威海拓展纤维有限公司中国的GQ3522-12K），CF-II（收到，来自威海拓展纤维的GQ4922-12K） Co。China）和CF-III（收到，Toray Industries，Inc。的T300-12K）。 在55 ℃ 下用硝酸（65％）将CF-II表面改性60 分钟，并将所得碳纤维标记为CF-IV。

2.2 。PAN基碳纤维表面结构的表征

2.2.1 。碳纤维表面的微观结构分析

通过扫描电子显微镜（SEM，Nova Nano SEM230）获得所研究的PAN基碳纤维的表面形态。使用Veeco NanoManTM VS MultimodeV原子力显微镜以轻敲模式进行碳纤维的原子力显微镜（AFM）成像。使用双面胶带将单纤维固定在样品架上。通过安装的软件获得微区域的表面粗糙度（R a）。对每种碳纤维测试至少五根长丝。

2.2.2 。用拉曼光谱研究碳纤维的表面结构

使用XY拉曼显微光谱仪（LabRAM Aramis，Jobin Yvon），使用532nm的激光波长和2.1mW的 固定功率进行拉曼分析， 因为碳纤维可能对激光产生的热非常敏感。用50倍放大物镜聚焦激光，光斑直径为 1μm。对于每个光谱，累积时间为50 秒。光谱在1000至1800年测量 厘米-1范围内。将碳纤维样品直接放置在显微镜载物台上，并光学选择表面区域。每个样品的表征涉及20种不同的单纤维。

2.2.3 。单丝碳纤维的抗拉强度

根据ASTM标准D3379-75中描述的方法，使用单丝纤维拉伸试验测量碳纤维的拉伸强度。测试超过60根长丝以获得平均值。

要点2

3.1 。碳纤维的表面结构

图2显示了通过SEM和AFM观察到的CF-1，CF-II，CF-III和CF-IV的表面形貌。所有四种类型的碳纤维都具有沿碳纤维纵向平行分布的凹槽。值得注意的是，CF-III的表面（图 2（e）和（f））相对平滑，凹槽在宽度和深度上几乎均匀分布，而CF-I的凹槽（图 2（a）） （b））和CF-II（图 2（c）和（d））在某种程度上更宽和更深。CF-II 在接收状态下的三种碳纤维中具有最高的表面粗糙度（R a）。

图2。PAN基碳纤维表面的SEM和AFM图像：CF-1（a和b）; CF-II（c和d）; CF-III（e和f）; CF-IV（g和h）。

拉曼光谱广泛用于定量分析碳材料结构中存在的无序，分析深度为100 nm [21]。1000之间所研究的碳纤维的表面的拉曼光谱 厘米-1和1800 厘米-1分别显示在图 3（a）中。碳纤维的光谱显示出两个宽峰，这表明碳纤维表面的石墨结晶区域具有非常小的尺寸[22]，[23]。使用Origin 9.0内置拟合程序的Voigt线形光谱的拟合结果如图 3所示（b）中，这涉及四个组成部分：在1190为中心的峰 厘米-1（D4峰），1370 厘米-1（D1峰）1520 厘米-1（D3峰）和1597年 厘米-1（G峰）。D4峰对应于C

H共价键[10]，D1峰源自具有A 1g对称性的振动，其由缺陷或石墨晶格中存在的无序激活。D3峰通常分配给无定形碳[24]，其以间隙无序碳的形式存在，具有sp 3连接。碳材料的拉曼光谱中的G峰表明存在石墨sp 2相对应于二维石墨烯类结构的面内键合拉伸[25]。。如在显示出图 3（c）中，我D1 / I G ^在硝酸处理后，CF-II表面的比例从2.33变为3.17，这表明在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比没有那么大变化，这可能解释为硝酸处理主要影响石墨中存在的缺陷或无序。碳纤维表面晶格。由于平均面内长度（大号一个）呈负相关I的值D1 / I G ^ [24]中，增加的I D1 / I G ^CF-IV意味着CF-IV中石墨结构的面内长度比CF-II短。可以推断，氧化处理破坏了表面的石墨结构，并在表面产生了边缘平面和缺陷，导致CF-IV 中L a的减少。

图3。CF-1，CF-II，CF-III和CF-IV的拉曼结果：（a）碳纤维表面的拉曼光谱; （b）碳纤维的拉曼光谱的曲线拟合结果; （c）I D4 / I G比，I D1 / I G比和碳纤维表面的I D3 / I G比。

制备碳纤维表面的横截面切片用于TEM观察。图4显示了碳纤维表面区域的TEM形态。观察到微孔分布在CF-1，CF-II和CF-IV的表面区域。然而，在CF-III的表面区域没有看到微孔（图4（c1））。有人提出这些空隙是由于消除了PAN基前体碳纤维制造过程中产生的气体而产生和残留[4]，[5]，这也可能是造成粗糙表面的原因之一碳纤维。

图5显示了C / C样品的碳纤维和热解碳层之间的界面区域的TEM图像。根据碳纤维的波状表面轮廓，四个样品中的热解碳层紧密地在碳纤维外生长。由于CF-1，CF-II和CF-IV的相对粗糙的表面，复合材料形成了纤维和基质彼此锁定的界面。然而，热解碳在C / C-III中的CF-III表面上有规律地沉积和排列（图 5（c））。

图5。通过TEM观察C / C复合材料中碳纤维与热解碳层界面面积的微观结构：（a）C / CI样品; （b）C / C-II样本; （c）C / C-III样本; （d）C / C-IV样本。红色箭头和黄色箭头表示碳纤维表面碳平面的生长方向和界面区域沉积的热解碳。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者可参考本文的Web版本。）

值得注意的是，在C / C-II碳纤维表面附近仍存在不同尺度的封闭微孔（图 5（b）），表明在界面处纤维表面区域的封闭空隙没有明显变化。尽管有可能碳纤维的最外表面可能参与与热解碳形成的界面。如从观察图 5（a）和（d），CF-1和CF-IV表面区域的微孔消失，似乎碳纤维表面区域的结构在与热解碳形成界面时发生变化。碳纤维表面的碳原子重新排列，微孔可能会消失或转变为界面中的针状裂缝。碳纤维和热解碳的机械互锁以及化学键合存在于这种相容的界面中。图5中的箭头表示碳纤维表面的碳平面的生长方向（红色箭头）和界面区域的沉积的热解碳（黄色箭头）。

3.4 。碳纤维表面结构与C / C复合材料纤维/热解碳界面的关系

一般而言，PAN前体纤维表面和制造工艺都是碳纤维表面形态的原因[29]。当与基质形成界面时，碳纤维的不同表面特性将起不同作用。图8显示了碳纤维的表面结构与C / C复合材料中与热解碳的界面形成之间的关系。在热解碳沉积过程中，碳纤维表面起到基面的作用，因此碳纤维的表面结构在与热解碳形成界面中起着关键作用。

4 。结论

结合本研究中单纤维强度和C / C复合材料力学性能的结果，可以肯定碳纤维表面附近的空隙或缺陷很少有利于与热解碳的界面形成，并不总是需要选择高强度碳纤维，用于获得具有更好机械性能的C / C复合材料。在冲击载荷下，更好的碳纤维拉伸应变对于C / C复合材料的更好的延展性和能量吸收是至关重要的。碳纤维的表面处理被认为是改善C / C复合材料界面性能的有效方法，尽管表面处理过程中引起的表面缺陷会降低碳纤维的拉伸性能。

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