高温热处理环境下碳纤维内部的缺陷结构

在本公众号前不久发布文章中：碳纤维缺陷尺寸与力学性能定量关系，介绍了碳纤维内部的缺陷结构尺寸与碳纤维力学性能之间的关系，而按照相关理论计算公式，碳纤维的拉伸强度与拉伸模量间的关系正相关，即：碳纤维拉伸模量越高，其拉伸强度也越高。

但对于高强高模碳纤维而言，却似乎存在相反的规律，以日本东丽高强高模碳纤维力学性能为例，碳纤维拉伸强度随着拉伸模量增加变化规律如图1所示，从图中可以看出，碳纤维拉伸强度几乎随着模量增加而线性下降。

图1 东丽高强高模碳纤维拉伸强度随模量增加的变化规律

研究表明，在高性能碳纤维制备过程中，通过提高碳化及石墨化阶段的热处理温度，可以提高纤维内部微晶排列，并实现纤维内部微晶尺寸的增加，因此随着热处理温度提高，碳纤维拉伸模量逐渐增加。

对于PAN基碳纤维的拉伸强度而言，当热处理温度为1500℃左右时，碳纤维的拉伸强度会达到最大值，随着碳化或石墨化温度的进一步提升，PAN基碳纤维的拉伸强度却出现大幅下降，如图2所示。

图2 热处理温度对碳纤维力学性能的影响规律

高性能沥青基碳纤维随着热处理温度增加，碳纤维拉伸强度和拉伸模量会同时提升，这是由于中间相沥青易于发生石墨化，热处理后内部产生石墨片层结构，如图3所示。热处理温度提升有助于沥青基碳纤维内部石墨片层的增长及取向，结构日趋完善，因此强度和模量出现同时提升。

图3 高性能沥青基碳纤维内部的石墨片层结构

而PAN基碳纤维拉伸强度之所以在高于1500℃后出现显著下降，其根本原因就在于纤维内部缺陷结构大幅增加。图4为日本东丽T700纤维分别经过2300℃、2800℃高温石墨化处理后纤维界面形态结构示意图，从图中可以清晰看出，随着石墨化温度提升，碳纤维内部孔隙缺陷结构逐渐增加。

图4 热处理温度对碳纤维内部结构影响（来源：carbon）