碳纤维的结构与性能分析

1.碳纤维的结构碳纤维由沿纤维轴高度取向，优先平行于纤维轴的乱层石墨碳层的结晶结构构成。碳纤维的结构不像二维碳材料，也不像石墨烯那样确定和明晰，具有复杂多样、结构与碳化温度和工艺控制密切相关的特点。除构成主体的碳层结晶结构外，纤维中存在数量众多的洞穴和孔隙、纤维皮层与芯层存在差异，即便碳层平面内也有缺陷，碳层有扭曲和变曲，碳层之间距离不均匀，碳层间存在连接结构等。有人模拟由四层碳层组成的3.3nm×2.4nm×1.5nm空间内碳层的堆积模型。图9-6可以形象地表现出碳层层面的变曲、层间距的变化、层间发生的交错等。碳纤维结构的复杂性是制约碳纤维性能提高的关键因素，这些结构的复杂性有的来自原丝，有的来自氧化过程，有的来自碳化过程，这些都给高性能碳纤维的制备带来困难。

图9-6　在3.3nm×2.4nm×1.5nm空间的碳层堆积模型

通过提高碳化温度完善碳层结构，进而提高碳纤维的石墨化程度，提高纤维中结晶的尺寸是有效的。图9-7是碳纤维中晶体尺寸与碳化温度的关系，其中La是晶体的长度（平行碳层方向），Lc是晶体的厚度（垂直碳层方向）。随碳化温度升高，碳层结构缺陷减少和碳层平面堆积不断规整完善的变化过程如图9-8所示。

图9-7　PPTA-H2SO4溶液的浓度与体系黏度的关系(www.xing528.com)

图9-8　碳层结构随温度的变化过程

2.碳纤维的性能PAN基碳纤维因为成型工艺控制的不同，其力学性能有很大差异，一般拉伸断裂强度在3.0～7.0GPa，拉伸弹性模量200～600GPa。提高拉伸强度的主要措施是减少纤维中的缺陷，而提高拉伸弹性模量的途径是升高热处理温度。高拉伸强度和高拉伸弹性模量非同时实现，各公司生产的碳纤维因为工艺技术和生产控制水平的差异，有其自身特点，有的强调高模量，有的突出高强度。与金属相比，碳纤维密度小（1.6～1.8g/cm3），因此比强度和比模量更高，这也是碳纤维增强复合材料替代金属的优势所在。

此外，碳纤维尺寸稳定性好，热膨胀系数很小（0～1.1×10-6/K），保证了由其增强的复合材料高温使用的尺寸形状稳定性。碳纤维具有导电性，且其电导率随热处理温度的升高而增加。碳纤维在耐磨、耐化学试剂、润滑性方面都表现优良。