用Raman光谱研究碳纤维结构及其微观力学性能

论文摘要

碳纤维的机械性能主要是由其内部的微观结构决定的。目前,碳纤维的强度和模量远远低于其理论值。因此,认清高性能碳纤维的微观结构特征,对提高碳纤维的性能具有重要的指导意义。同时深入研究碳纤维复合材料界面的应力传递行为及其应力分布对复合材料宏观力学性能的影响规律,精确地表征增强相与基体之间界面结合的情况,是获取高性能复合材料的关键。本文主要通过拉曼光谱技术和XRD来研究聚丙烯腈基碳纤维的微观结构和微观力学性能,同时通过拉曼光谱技术来揭露碳纤维复合材料应力传递和应力分布情况。其研究内容与结论包括:1)采用扫描电镜和显微共聚焦拉曼光谱对碳纤维表面和截面的结构进行了分析研究,结果表明:其轴向表面的结构变化不大,基本上处于一种相对比较均一的结构分布。而截面结构尺寸分布存在很大差别,即在截面的外边缘其微晶尺寸的缺陷含量为52.2%,而截面的芯部缺陷含量为53.6%。2)研究不同温度处理的碳纤维的拉曼光谱和XRD的研究表明:随着温度的提高,R（R=ID/IG）值减少、La增大,这表明温度提升有利于晶粒尺寸的长大和结构上的完整,并且拉曼光谱和XRD二者反应出来的信息是一致的。3)利用三种不同的激发能量拉曼光谱来研究不同微晶尺寸的聚丙烯腈基碳纤维,结果发现碳纤维中拉曼峰存在“色散”现象:D、D’和G’随着激发能量的增加峰会向波数高的方向移动,但G并不随激发能量变化而变化,这种现象归结于双共振理论。同时结合XRD技术来探讨R和R’(R’=ID’/IG)对微晶尺寸和激发能量的依赖性,得出他们与El4La成反比例关系,最终我们建立了R和R’与El4La的关系式。4)研究了不同拉曼激光发射功率下的碳纤维拉曼光谱,结果表明:碳纤维的主要拉曼特征峰D、D’和G’峰会发生位移现象,半高宽也随着功率增加而变大,这些都是由于热效应的影响造成的。5)研究碳纤维受力作用下的Raman光谱中1580cm-1处（G峰）的峰位值变化,发现随着碳纤维受力的增加,G峰向波数低的方向移动,而且呈线性关系。通过这种线性关系来描述单丝在环氧树脂微滴中的微观形变情况。实验发现微滴在未受力的情况下,微滴小球中碳纤维应力分布呈“W”形状,且微球的内部存在着残余应力使得纤维部分区域呈压缩状态;剪切应力（ISS）最大值出现在微滴的边缘区域,为0.6GPa。在纤维受力的情况下微球内部的残余应力被消除,其应力分布呈“M”形状,其界面剪切应力（ISS）最大值出现在边缘上,为0.8GPa。结果表明在应力传递上,碳纤维受力时候应力传递的效果相对未受力时要差。综上所述,本论文主要对碳纤维的微观结构和微观力学性能进行了系列研究,对碳纤维性能及其复合材料界面力学性能的提高具有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 碳纤维微观结构的研究现状
• 1.2 高性能纤维复合材料研究现状
• 1.3 Raman光谱在碳材料研究中的兴起和应用
• 1.4 拉曼光谱在碳纤维中的应用
• 1.5 Raman在复合材料中的应用
• 1.6 本论文研究的意义
• 1.7 本论文研究的主要内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 样品准备
• 2.2 检测方法
• 第三章 用Raman描述碳纤维微观结构
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 扫描电镜的结果和讨论
• 3.4 拉曼光谱结果和讨论
• 3.5 小结
• 第四章 碳纤维石墨化过程中微观结构的变化
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果和讨论
• 4.3 小结
• 第五章 激发能量（波长）对碳纤维拉曼光谱影响以及拉曼光谱和XRD的相关性
• 5.1 引言
• 5.2 实验和结果
• 5.3 分析和讨论
• 5.4 小结
• 第六章 拉曼光谱激光照射功率对碳纤维谱图的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验及其图谱参数
• 6.3 结果分析
• 6.4 小结
• 第七章 碳纤维复合材料界面微观力学研究
• 7.1 引言
• 7.2 碳纤维本身及碳纤维/环氧树脂微滴拉曼光谱实验
• 7.3 成像及谱图的处理
• 7.4 结果和讨论
• 7.5 小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间申请的专利