国产M50J级高强高模碳纤维的微观结构研究

       高强高模碳纤维具有高比强度、 高比模量、 低膨胀系数、 尺寸稳定性好等优点， 是满足航天器和卫星天线等结构的最佳材料之一。

       中科院宁波材料所特种纤维事业部以自研6k规格聚丙烯腈（PAN）原丝，经过连续预氧化、碳化制备得到拉伸强度5.58GPa、拉伸模量292GPa的国产T800级高强中模碳纤维，进一步在2500℃环境下高温石墨化制备得到拉伸强度4.88GPa、拉伸模量478GPa的国产M50J级高强高模碳纤维，同时以日本东丽M50J碳纤维（拉伸强度4.12GPa、拉伸模量475GPa）作为对比，针对国产M50J（F1）、东丽M50J（F2）以及国产T800纤维（F3）结构进行了对比分析。

       通过纤维断面的扫描电镜检测结果显示，三种纤维断裂面上均存在较大颗粒状物质且存在扇形断裂面形貌特征；从纤维截面规整度来看，国产纤维截面为圆形结构，结构较规整，东丽M50J（F2）截面规整度比国产纤维低；从纤维直径来说，国产T800纤维（F3）直径约为 5.８μｍ，而国产M50J（F1）和东丽M50J（F2）的直径约为 ５μｍ。在石墨化处理过程中，高温及外力作用下纤维石墨微晶结构进一步长大且沿轴向取向重排，堆积密度提高，径向结构被压缩，致使直径下降。

▲图1 国产M50J、东丽M50J、国产T800纤维断面形貌

       从三种纤维XRD赤道扫描图中可以看出，国产T800纤维（F3）在002衍射峰位置存在一个宽而弥散衍射峰，经过石墨化后该衍射峰转变为两个衍射峰，一个出现在较大的 ２θ 位置处，衍射峰强度大，峰形尖锐；另一个出现在较小的 ２θ 位置处，衍射峰强度相对低。前者被称为002Ｇ峰，是由石墨微晶中的规整有序结构所致；后者被称为002Ｔ 峰，是由石墨片层的无序乱层区所致。国产M50J（F1）和东丽M50J（F2）峰位置基本一致，峰形接近，表明这两种纤维的结构基本相似。从子午扫描看出，国产T800纤维（F3）在100衍射峰位置有微弱的衍射峰，经石墨化的高温处理后，该衍射峰峰形明显，同时增加了 004衍射峰， 但是 100 和 004 衍射峰都较弱，这表明高模碳纤维仍由乱层石墨结构组成且在垂直石墨片层方向完善程度仍较低。

▲图2 国产M50J、东丽M50J、国产T800纤维XRD衍射图

       通过三种纤维赤道、子午扫描曲线洛伦兹拟合，以及方位角扫描曲线高斯拟合，并通过Bragg公式和Scherrer公式计算获得了纤维石墨微晶结构参数,相较与国产T800，国产M50J与东丽M50J高模碳纤维的石墨微晶堆砌厚度Lc、 堆叠层数n、 基面宽度La都出现大幅度提高， 层间距d002和择优取向角 Z 降低；通过国产M50J与东丽M50J石墨微晶结构参数对比，国产M50J纤维具有更小的择优取向角Z，表明国产M50J纤维具有更高的石墨微晶取向程度，致使国产M50J与东丽M50J拉伸模量相当，但拉伸强度具有显著优势。

▲图3 国产M50J、东丽M50J、国产T800纤维石墨微晶结构参数

       通过三种纤维Raman光谱对比发现，与国产T800纤维（F3）相比， 国产M50J（F1）、东丽M50J（F2）拉曼光谱中代表石墨特征结构的Ｇ峰向低位移偏移，半高宽大幅度减小，这表明其石墨微晶结构更完善；通过三种纤维石墨化度R值对比发现，国产M50J（F1）较之东丽M50J（F2）具有更高的石墨化程度。

▲图4 国产M50J、东丽M50J、国产T800纤维Raman光谱