碳纤维的导电原理及测试

碳纤维是由微晶结构组成，石墨单晶中碳原子的结构排列如图1所示，每个碳原子由强的共价键（σ键）与其他相邻的三个碳原子结合；同时，石墨微晶存在层状结构，层与层间依靠范德华力连接，属于次价键力，因此在平行基面方向具有良好的机械性能及导电性，而在层间方面强度较低。

图1 石墨单晶结构示意图

作为一种含碳量在95%以上的碳石墨材料，碳纤维的导电原理也与石墨导电相类似，纤维内部所有C原子参与形成大π键，从而形成连续能带，每个C可剩余1个能够自由移动电子，沿着连续能带实现导电，但是由于碳纤维具有独特的乱层结构，导致碳纤维层内方向（纤维轴向）导电性显著优于层间（纤维纵向）导电性。

碳纤维导电性的影响因素   

碳纤维之所以能够导电，与其内部的石墨微晶结构休戚相关，因此影响碳纤维导电性强弱的关键因素在于其内部微观结构。

一般而言，碳纤维石墨化程度越高，石墨微晶结构越完善，碳纤维的导电性越好。对于T300、T800等级别高强中模碳纤维，纤维内部具有典型的二维乱层石墨结构，如图2所示，由于石墨层内存在缺陷结构，致使其导电性较差。

图2 高强中模碳纤维内部典型乱层石墨结构

经过石墨化处理后，纤维内部二维乱层石墨结构逐渐转变为三维石墨微晶结构，而且石墨化程度越高，石墨微晶越接近于理想石墨单晶结构。对于石墨化程度而言，最为客观反映程度高低的就是碳纤维拉伸模量，因为石墨化程度越高，碳纤维拉伸模量往往也就越高。

PAN基碳纤维拉伸模量与电阻率之间定量关系曲线如图3所示，随着碳纤维拉伸模量增加，纤维电阻率逐渐下降。通过提高热处理温度，可以制备高拉伸模量碳纤维，而在热处理过程中石墨片层会逐渐生长，石墨微晶层间距逐渐下降、取向提高，为π电子导电提供了良好的空间，因此纤维导电性显著提高。

图3 PAN基碳纤维拉伸模量与电阻率之间关系

碳纤维的电阻率测试   

为了便捷快速测试碳纤维导电性能，中科院宁波材料所特纤事业部科研人员在多年碳纤维研发经验的基础上，发明了一种碳纤维电阻率测试装置，如图4所示，利用该装置对碳纤维电阻率测试时，通过读取电压、电流表数值，并按照特定公式计算，可以快速实现碳纤维电阻率检测。

图4 碳纤维电阻率测试装置

测试具体流程如下：从绕丝架上剪取一定长度的碳纤维样品，在施加张力情况下将其固定在底板上，依照刻度线调整两个电极调节块至特定距离，随后，使电极接触到待测碳纤维样品，调整电源，实现通过待测样品的电流值稳定在一数值，然后读取此时的电压值，最后按照电阻率公式计算得到电阻率。

为了验证装置及测试数据的可靠性，利用该装置对宁波材料所自行研发的国产M50J、M55J级高强高模碳纤维电阻率进行了测试，测试结果显示两种样品电阻率分别为0.94×10^-3Ω·cm、0.86×10^-3Ω·cm，与日本东丽相同型号产品电阻率的标称数据相近。

该测试装置设计简单、测试过程十分便捷、测试数据真实可靠，欢迎国内有碳纤维材料电阻率测试需求的单位洽谈合作。

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