聚丙烯腈基碳纖維的結構

   聚丙烯腈基碳纖維由高度取向、優先平行于纖維軸的兩向亂層石墨結構結晶構成，具有兩相結構。碳纖維的結構模型，可用非均相的微觀結構來描述，如微纖維、層狀、圓周徑向形(洋蔥皮)二維結構和鞘一芯及三維模型，這些模型可以解釋碳纖維存在的石墨化的高度取向和結晶，相對較小的結晶尺寸而含有的大量洞穴孔隙，幾種微觀結構的不勻性和缺陷。事實上，在預氧化和碳化過程中，對纖維施加張力拉伸，使石墨單元優化取向，可提高碳纖維的強度和模量，提高熱處理溫度將增大碳纖維的結晶尺寸，見表1-1。

表1-1PAN基碳纖維的結晶尺寸

    碳纖維的密度和結晶密度分別在1.74~1.86g/cm³和2.03~2.21g/cm³,可見碳纖維具有明顯的洞穴結構，這些孔隙直徑非常小，垂直于纖維軸分布，孔的平均直徑是熱處理溫度的函數。

          碳纖維的微結構中還存在無序結構。在相對完整層平面之間的連接區域造成晶粒間的無序結構，層平面間不完善產生的晶格扭曲造成晶粒內的無序結構。最近的研究表明，這種無序結構與碳纖維的壓縮強度密切相關。

         碳纖維的表面結構也是一個重要參數，它決定纖維與基體樹脂的結合性能。表面積和表面洞孔相關，也與纖維的表面處理工藝有關。一般PAN基碳纖維具有均勻的橫斷面和光滑的表面，其表面積隨表面處理效果提高而增大。

  2.聚丙烯基碳纖維的性能

  PAN基碳纖維按照加工工藝的不同，力學性能有很大的差異，可分為：

  (1)通用型：拉伸強度低于1.4GPa，拉伸模量小于130GPa。

  (2)高強型(HS):拉伸強度3~7GPa。

  (3)高模型(HM),拉伸模量300~900GPa。

  PAN基碳纖維的化學結構和物理結構使它具有優異的物理機械性能和熱性能。與金屬相比，碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的耐磨耗性、潤滑性優良，尺寸穩定性好，熱膨脹系數小(0~1.1×10^-6K^-1),在惰性氣體中耐熱性優良，耐化學腐蝕性好，不生銹，振動衰減性優良，耐疲勞強度高，生物體適應性好，有導電性、電磁波屏蔽性。因此，PAN基碳纖維與樹脂基體的復合材料是一種高性能結構材料。