PAN碳纤维

PAN碳纤维

聚丙烯腈(PAN)基高模量碳纤维是指拉伸模量超过350 GPa、含碳量在99%以上的一类高性能碳纤维，具有弹性模量高、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异性能。

PAN基高模量碳纤维增强复合材料可在温度交变环境中实现零膨胀，因此成为航天飞行器、深空探测等领域的重要原材料。目前PAN基高模量碳纤维已广泛应用于宇航结构产品中，已成为各级主次结构的核心材料，也是未来航天材料发展的重点。

微观结构

碳纤维宏观性能取决于内部微观结构，在高温石墨化过程中，中模量碳纤维内部的二维乱层石墨结构逐渐向三维石墨微晶结构转变，而且随着石墨化温度提升，纤维内部石墨微晶层间距下降，微晶尺寸则不断提升，因此碳纤维拉伸模量随之增加。

在石墨化过程中碳纤维拉伸模量随着石墨微晶层间距下降及石墨微晶堆砌厚度增加而提高；碳纤维石墨微晶层间距和微晶取向是影响纤维拉伸强度两个主要因素。

 PAN基高模量碳纤维Raman光谱D峰及 G峰结构参数与拉伸模量的关系

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导电导热性能

金属材料热传导以电子为主，而PAN基高模量碳纤维作为具有石墨结构的非金属材料，其热传导以声子传导为主，声子是晶格振动波的能量量子化，具有离子性和波动性。

由于声子平行自由行程受结构缺陷、杂质、孔隙等结构影响，一般而言，碳纤维石墨层面越发达、取向越高，热导率越高随拉伸模量提高，纤维导热性能也随之提升；而随碳纤维体密度的提高及石墨微晶尺寸的增大，晶体的缺陷减少，结构有序度提高，致使声子导热增强，从而使热导率逐渐升高PAN基高模量碳纤维内部石墨结构使其具有一定导电性，而且其导电性能与热处理温度、石墨化程度及结构参数有关。随着热处理温度升高，纤维内部石墨化程度增加，石墨层面逐渐增大而且沿纤维轴向有序排列，因此纤维导电性越好。

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表面结构改性

PAN基高模量碳纤维经2 000～3 000 ℃高温石墨化制备得到，纤维表面呈现极高的化学惰性结构，用于树脂基体增强时，纤维与基体界面结合极弱。PAN基高模量碳纤维的惰性表面结构可以显著影响复合材料力学性能，因此，必须对其表面进行改性处理以提高纤维表面活性。

高模量碳纤维表面电化学氧化过程分两步进行，纤维惰性表面结构首先在电化学作用下发生化学刻蚀，并在表面产生少量含氧官能团，而化学刻蚀作用致使碳纤维拉伸强度下降；随后，随着电流密度增加、氧化程度提升，化学刻蚀作用逐渐增强并导致纤维表面与内部结构产生一定化学交联，而该交联结构有助于纤维拉伸强度提升，因此在高强度氧化作用下纤维拉伸强度又出现一定幅度增加。

经过改性处理后，国产M55J级高模量碳纤维在保持高拉伸强度的同时，其增强树脂基复合材料的层间剪切强度也突破了70 MPa。由于高模量碳纤维具有更高碳元素含量和更完善石墨结构，因而在导电、导热等领域相比于传统的中模量碳纤维具有一定的优势，，因此如何充分发挥高模量碳纤维的其他优异特性，开发高模量碳纤维的功能化产品也会成为未来研究方向之一。

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PAN基高模量碳纤维的表面氧化机制

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制备方法

PAN基碳纤维的制备主要包括聚合、纺丝、预氧化 (稳定性) 、碳化、表面处理和碳纤维的形成等几步。PAN前体的制备方式主要有干湿纺丝, 熔融或者静电纺丝。

在生产和生活中, PAN生丝的湿纺工艺是主要的。针对湿法纺丝工艺进行改进, 最终得到的结果使得原丝的力学性能、线密度的到了改善, 抗拉伸强度提高。由于干法纺丝和熔融纺丝不适合制备高强度均一的碳纤维, 静电纺丝还停留在实验室阶段, 所以不成为未来发展趋势。

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