用Raman光譜研究碳纖維結(jié)構(gòu)及其微觀力學(xué)性能.pdf

1、碳纖維的機(jī)械性能主要是由其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定的。目前，碳纖維的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論值。因此，認(rèn)清高性能碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)特征，對(duì)提高碳纖維的性能具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)深入研究碳纖維復(fù)合材料界面的應(yīng)力傳遞行為及其應(yīng)力分布對(duì)復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律，精確地表征增強(qiáng)相與基體之間界面結(jié)合的情況，是獲取高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵。
　　 本文主要通過拉曼光譜技術(shù)和XRD來研究聚丙烯腈基碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)和微觀力學(xué)性能，同時(shí)通過拉曼光譜技

2、術(shù)來揭露碳纖維復(fù)合材料應(yīng)力傳遞和應(yīng)力分布情況。其研究內(nèi)容與結(jié)論包括：
　　 1)采用掃描電鏡和顯微共聚焦拉曼光譜對(duì)碳纖維表面和截面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：其軸向表面的結(jié)構(gòu)變化不大，基本上處于一種相對(duì)比較均一的結(jié)構(gòu)分布。而截面結(jié)構(gòu)尺寸分布存在很大差別，即在截面的外邊緣其微晶尺寸的缺陷含量為52.2％，而截面的芯部缺陷含量為53.6％。
　　 2)研究不同溫度處理的碳纖維的拉曼光譜和XRD的研究表明：隨著溫度的提高，

3、R（R=ID/IG）值減少、La增大，這表明溫度提升有利于晶粒尺寸的長大和結(jié)構(gòu)上的完整，并且拉曼光譜和XRD二者反應(yīng)出來的信息是一致的。
　　 3)利用三種不同的激發(fā)能量拉曼光譜來研究不同微晶尺寸的聚丙烯腈基碳纖維，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維中拉曼峰存在“色散”現(xiàn)象：D、D'和G'隨著激發(fā)能量的增加峰會(huì)向波數(shù)高的方向移動(dòng)，但G并不隨激發(fā)能量變化而變化，這種現(xiàn)象歸結(jié)于雙共振理論。同時(shí)結(jié)合XRD技術(shù)來探討R和R'(R'=ID'/IG)對(duì)微晶尺寸

4、和激發(fā)能量的依賴性，得出他們與E(?)La成反比例關(guān)系，最終我們建立了R和R'與E(?)La的關(guān)系式。
　　 4)研究了不同拉曼激光發(fā)射功率下的碳纖維拉曼光譜，結(jié)果表明：碳纖維的主要拉曼特征峰D、D'和G'峰會(huì)發(fā)生位移現(xiàn)象，半高寬也隨著功率增加而變大，這些都是由于熱效應(yīng)的影響造成的。
　　 5)研究碳纖維受力作用下的Raman光譜中1580cm-1處（G峰）的峰位值變化，發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維受力的增加，G峰向波數(shù)低的方向移動(dòng)，

5、而且呈線性關(guān)系。通過這種線性關(guān)系來描述單絲在環(huán)氧樹脂微滴中的微觀形變情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微滴在未受力的情況下，微滴小球中碳纖維應(yīng)力分布呈“W”形狀，且微球的內(nèi)部存在著殘余應(yīng)力使得纖維部分區(qū)域呈壓縮狀態(tài)；剪切應(yīng)力(ISS)最大值出現(xiàn)在微滴的邊緣區(qū)域，為0.6GPa。在纖維受力的情況下微球內(nèi)部的殘余應(yīng)力被消除，其應(yīng)力分布呈“M”形狀，其界面剪切應(yīng)力(ISS)最大值出現(xiàn)在邊緣上，為0.8GPa。結(jié)果表明在應(yīng)力傳遞上，碳纖維受力時(shí)候應(yīng)力傳遞的效果相對(duì)