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拉曼光谱研究碳纤维的微观结构和性能

石彦平  
【摘要】:显微共聚焦拉曼光谱是一种精细的光学测量技术,具有较高的空间分辨率,能够精确的分析物质的微观结构。而认清高性能碳纤维的微观结构,对提高碳纤维的性能有着重要的意义。同时,碳纤维作为复合材料的增强体,其界面力学行为对复合材料的整体力学性能也有着很大的影响。 本文主要借助显微共聚焦拉曼光谱技术,分析碳纤维的微观结构,同时对碳纤维单丝微滴复合材料的界面性能进行了一定的研究,论文主要内容及结论如下: (1)结合显微共聚焦拉曼光谱和红外光谱技术系统分析了PAN原丝在预氧化(220~300℃)过程中结构的变化,发现激发能量对PAN原丝和预氧丝的拉曼光谱有较强的荧光效应,这在碳纤维的拉曼测试中未曾表现。同时发现PAN原丝的拉曼光谱出现-C≡N伸缩振动峰(2240cm-1)和-CH2-伸缩振动峰(2930 cm-1),这与碳纤维拉曼特征的D峰(1360cm-1)和G峰(1575 cm-1)是不同的。在240℃时脱氢环化反应最为剧烈,-C≡N振动峰基本消失,继续预氧化,1360 cm-1处开始出现芳构梯形SP3杂化C-C骨架振动峰,1575 cm-1处出现芳构杂环梯形链段中SP2杂化的C-C伸缩振动峰。但在250~300℃阶段,反应变得比较缓慢,这与红外分析结果相一致。 (2)论文进一步研究了PAN预氧丝在碳化、石墨化过程中结构的变化,计算得到了C-C原子键距。同时发现热处理温度升高,C-C原子键距随La、Lc的增大而增大,更加接近于完整的石墨晶粒尺寸。其中拉曼D峰和G峰向低波数偏移,D峰和G峰的半高宽变小,R值减小,石墨结构有序性逐渐增加; (3)考查了激发能量对碳纤维的拉曼光谱的影响,并结合XRD分析了各类碳纤维微晶结构,系统地探讨了各种碳纤维的拉曼参数R值与La之间的关系,拟合得到适用于La10nm时的碳纤维的La与E-4R-1之间的关系式; (4)采用自制旋转装置对粘胶基碳纤维和粘胶基活性碳纤维进行了周向上微区拉曼测试,研究了表面微观结构的不均匀性。研究结果表明活化温度升高,R值变小,石墨化程度有着一定的提高。但是由于表面孔洞结构的不均匀性,使得拉曼数据的分散性变大。 (5)论文研究了碳纤维环氧树脂微滴的界面力学的分布情况,研究发现碳纤维在受力的作用下,C-C原子键距变大,使得拉曼G峰的位移向低波数发生偏移,且应力与G峰的位移呈线性关系。以此为基础,论文进一步研究了不同端部角下碳纤维环氧树脂微滴的界面应力的分布情况,发现碳纤维受到的应力呈“M”状分布。当端部角较大时,微滴界面的残余应力较大,界面剪切力较大,应力较集中,界面的剪切应力传递效率也较高。结果表明微滴的端部几何构形会对界面应力规律以及微滴内部的应力传递产生明显的影响。


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