不同直径国产T800级高强中模碳纤维结构对比

聚丙烯腈( PAN) 基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电、导热等独特性能， 因而广泛用作先进复合材料的增强体。目前碳纤维市场仍然被日本、美国等垄断，经过多年自主研发，国内碳纤维发展迅速，主体性能指标也不断突破，但国内产品大多参照日本东丽公司产品性能指标发展及分级，对于结构或性能等不同规格的碳纤维研发有待开展。

中科院宁波材料所特种纤维事业部长期致力于高性能碳纤维国产化技术研发，开发出不同直径尺寸的国产T800级高强中模碳纤维。依据 Weibull 最弱链接理论， 纤维拉伸断裂出现在最大缺陷处，纤维尺寸越大，出现较大缺陷概率也随之增高，因而纤维直径越细，碳纤维拉伸强度越高。若在不同纤维直径下获得的碳纤维力学性能相同或相近， 其内部结构是否存在显著区别， 针对该科学问题，特种纤维事业部科研人员开展了深入研究。

研究首先围绕纤维的力学性能展开，宁波材料所研制的两种不同直径规格T800级碳纤维NBF1、NBF2的拉伸强度与拉伸模量均略高于日本东丽T800碳纤维实测性能（图1）。对于纤维线密度，NBF1与日本东丽T800碳纤维同为 12 K 规格，两者线密度也同为 450 tex；根据产品信息，东丽T800碳纤维 6 K 规格线密度为 224 tex，而在NBF2规格同为 6 K 情况下，纤维的线密度高达 315 tex，线密度越高，说明获得相同质量所需纤维长度越短，纤维直径也越大 。

▲图1 国产T800级碳纤维与东丽T800碳纤维性能对比

为了详细研究不同规格碳纤维的直径差异，采用扫描电子显微镜截面测量方法对不同纤维直径进行了测试，同时与理论计算直径进行了对比（图2），研究发现宁波材料所研制NBF2纤维直径实测值高达6.31μm，显著高于其他两种纤维直径，不同直径规格T800级碳纤维表面及断面如图3所示。

▲图2 国产T800级碳纤维与东丽T800碳纤维直径对比

▲图3 不同直径规格T800级碳纤维表面及断面SEM图

进一步针对纤维石墨微晶结构及表面无序化程度进行深入研究，结果表明国产T800级高强中模碳纤维石墨微晶层间距d002明显低于日本东丽T800碳纤维，d002值越低，表示纤维石墨化程度越高；而国产T800级碳纤维石墨微晶堆砌厚度也略高于东丽T800碳纤维（图4），这种规律对于大直径NBF2样品尤为明显，其石墨微晶层间距d002显著小于其他两种纤维，说明大直径NBF2石墨化度要高于其他两种纤维，因此推测在 3 种碳纤维拉伸强度及拉伸模量相近情况下，NBF2 试样高石墨化度将更有利于制备高模碳纤维。无序化程度研究结果显示细直径NBF1纤维表面无序化程度最低，纤维表面结构越有序、表面缺陷结构越少，致使最终纤维拉伸强度越高。

▲图4 不同直径规格T800级碳纤维XRD结构参数

合成纤维工业，2018,41（5）：5-8