[发明专利]高模量碳纤维及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维及其制造方法，特别涉及一种高模量碳纤维及其制造方法。

背景技术

碳纤维因为具有低比重、高抗张强度、高模量、高导电性、高热导等一系列的优良特性，还具有纤维的柔性可编织特性的优点。其中，高强度高模量的特殊碳纤维，被广泛应用于建筑、航空、军事的新型增强复合材料。碳纤维原料种类相当多，如嫘萦(Rayon)、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、沥青(pitch)等。目前主要使用的碳纤维采用聚丙烯腈(PAN)为原料，其碳纤维的强度等力学特性优良，品质性能均匀且可稳定制造。

通常，利用X射线衍射(XRD)与拉曼光谱(Raman)对PAN碳纤维的微观结构进行了解，并研究其对碳纤维机械性能的影响。在XRD分析中，主要由石墨相峰值半高宽β判断石墨层结晶面(002)的堆叠厚度(结晶厚度)，一般以Lc表示，关系式如公式(1)，K为形状因子，λ为X射线波长，θ为散射角。

Lc＝Kλ/βcosθ          公式(1)

Lc越高代表石墨层堆叠数越多，纤维结构越紧密。理论上和实际商品验证均指出，石墨层结晶厚度Lc越大，碳纤维的拉伸模量越高。

在碳纤维Raman分析中，均会出现G峰(～1580cm^-1)与D峰(～1350cm^-1)。G峰信号为石墨片层平面内石墨结晶分子SP²的伸缩振动所提供，而D峰则为石墨片层边缘碳原子振动所致，也代表不完善的石墨结构。而石墨化程度(R)，可以用特征峰强度之比来计算，如公式(2)所示。

R＝ID/IG                公式(2)

R越小表示石墨化程度越高。此外R值与碳纤维石墨层大小(结晶宽度)La具有如公式(3)所示的关系。

La＝44×R^-1        公式(3)

理论上，La越大代表石墨化程度好，晶粒宽度大，沿纤维轴向方向的晶界也越大，但这也有可能使裂纹越容易传播，或是晶体内部缺陷含量提高等因素导致拉伸强度降低。

如表1所示，以Toray-T300系统为处理碳纤，当石墨化制程温度提高时(2400-3000℃)，碳纤维石墨层结晶厚度Lc与结晶长度La随温度增加会同时成长。衍生的机械性质的变化：拉伸模量随着Lc成长而提高，但拉伸强度却会随La增长而降低。

[表1]

表1：随着温度提高，PAN碳纤维的La、Lc、强度、模量变化