PAN基碳纤维结构转变及缺陷结构控制

1 PAN原丝结构演变

PAN基碳纤维制备流程主要分为两大步骤，首先是PAN原丝制备，它是以AN为原料，通过与单体共聚，然后经过凝固成纤、牵伸等制备得到，经过聚合、纺丝过程，AN单体结构形成PAN原丝的线型大分子链结构。主要流程及结构转变示意图如图1所示。

▲图1 PAN原丝的制备及结构演变

在碳纤维制备过程中，纤维结构具有一定遗传性，如采用湿法纺丝制备的PAN原丝表面具有明显轴向沟槽结构，该结构可以遗传至最终碳纤维，而且在PAN原丝制备过程中产生的表面缺陷、内部孔隙等结构也会遗传至碳纤维，因此高品质PAN原丝是获得高性能碳纤维的关键。

2 PAN基碳纤维结构转变

PAN基碳纤维另一流程为碳纤维成型过程，它是由PAN原丝经过预氧化、碳化、石墨化处理制备得到，其中经过石墨化处理后，由于纤维含碳量高于99%，因此也被称为石墨纤维。结构演变过程如图2所示。

▲图2 PAN基碳纤维的结构演变过程

由于预氧化、碳化及石墨化过程中伴随着纤维内部复杂结构转变，因此除高品质PAN原丝外，结构转变控制技术是制备高性能碳纤维又一重要因素。

如日本东丽公司通过碳化过程精细化控制，实现了纤维石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷结构等高精度调控，成功开发出拉伸强度6.6GPa、拉伸模量324GPa的 T1100G碳纤维，并实现了商品化。

3 缺陷结构控制技术

由于PAN基碳纤维制备流程长，因此缺陷结构可能产生于任一阶段。碳纤维拉伸强度与纤维表面、内部缺陷尺寸相关（图3），缺陷尺寸越大、纤维拉伸强度越低。

当

▲图3 缺陷结构对碳纤维力学性能的影响

PAN原丝的聚合、纺丝过程中易于产生表面缺陷和内部孔隙；在预氧化、碳化、石墨化阶段随着非碳元素溢出，会导致内部孔隙、表面缺陷结构加剧，因此国外长期致力于全流程缺陷控制技术，当纤维缺陷结构尺寸由微米级降至纳米级，碳纤维力学性能会随之大幅提升（图4）。

▲图4 缺陷尺寸与碳纤维力学性能关联性

如何实现纤维缺陷结构控制？主要途径包括三个方面：通过原料控制防止缺陷产生；通过车间无尘避免外部杂质引入；通过工艺精细调控有效降低非碳元素溢出产生的缺陷结构。

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