聚丙烯腈基碳纖維的結構

   聚丙烯腈基碳纖維由高度取向、優(yōu)先平行于纖維軸的兩向亂層石墨結構結晶構成，具有兩相結構。碳纖維的結構模型，可用非均相的微觀結構來描述，如微纖維、層狀、圓周徑向形(洋蔥皮)二維結構和鞘一芯及三維模型，這些模型可以解釋碳纖維存在的石墨化的高度取向和結晶，相對較小的結晶尺寸而含有的大量洞穴孔隙，幾種微觀結構的不勻性和缺陷。事實上，在預氧化和碳化過程中，對纖維施加張力拉伸，使石墨單元優(yōu)化取向，可提高碳纖維的強度和模量，提高熱處理溫度將增大碳纖維的結晶尺寸，見表1-1。

表1-1PAN基碳纖維的結晶尺寸

    碳纖維的密度和結晶密度分別在1.74~1.86g/cm³和2.03~2.21g/cm³,可見碳纖維具有明顯的洞穴結構，這些孔隙直徑非常小，垂直于纖維軸分布，孔的平均直徑是熱處理溫度的函數(shù)。

          碳纖維的微結構中還存在無序結構。在相對完整層平面之間的連接區(qū)域造成晶粒間的無序結構，層平面間不完善產(chǎn)生的晶格扭曲造成晶粒內(nèi)的無序結構。最近的研究表明，這種無序結構與碳纖維的壓縮強度密切相關。

         碳纖維的表面結構也是一個重要參數(shù)，它決定纖維與基體樹脂的結合性能。表面積和表面洞孔相關，也與纖維的表面處理工藝有關。一般PAN基碳纖維具有均勻的橫斷面和光滑的表面，其表面積隨表面處理效果提高而增大。

  2.聚丙烯基碳纖維的性能

  PAN基碳纖維按照加工工藝的不同，力學性能有很大的差異，可分為：

  (1)通用型：拉伸強度低于1.4GPa，拉伸模量小于130GPa。

  (2)高強型(HS):拉伸強度3~7GPa。

  (3)高模型(HM),拉伸模量300~900GPa。

  PAN基碳纖維的化學結構和物理結構使它具有優(yōu)異的物理機械性能和熱性能。與金屬相比，碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的耐磨耗性、潤滑性優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小(0~1.1×10^-6K^-1),在惰性氣體中耐熱性優(yōu)良，耐化學腐蝕性好，不生銹，振動衰減性優(yōu)良，耐疲勞強度高，生物體適應性好，有導電性、電磁波屏蔽性。因此，PAN基碳纖維與樹脂基體的復合材料是一種高性能結構材料。