聚丙烯腈基碳纤维原子径向分布函数及短程有序结构的演变

高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是国防军工、民用工业等领域急需的增强型结构材料，其优异的力学性能与碳化过程中的结构转变有着最直接的联系。在前期研究工作中发现，采用高分辨透射电镜、X射线晶体学衍射技术等传统研究方法，无法准确地表征碳化过程中纤维的非晶态结构和纳米尺度石墨晶随碳化温度升高的变化情况。本项目采用Mo靶X射线衍射原子径向分布函数法研究碳化过程中纤维的短程有序结构及其演变，将倒易空间衍射实验数据转换为能够反映原子相关分布情况的实空间数据，通过对原子近邻距离、配位数、有序畴尺寸等参数的分析，明确纤维结构由非晶态向石墨微晶转变的机制，揭示碳纤维乱层石墨结构的本质，建立碳纤维的原子结构模型，探索碳纤维的微观结构与力学性能之间的内在联系。本项研究成果将为制备高强度PAN基碳纤维提供必要的理论依据。

高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是航空航天、国防军工、民用工业、体育休闲等领域急需的增强型结构材料，其优异的力学性能与碳纤维制备过程中的结构转变有着最直接的联系。本项目主要采用基于X射线的原子径向分布函数(RDF)法对聚丙烯腈纤维原丝、预氧丝和碳化过程中不同温度的碳纤维进行结构研究，分析各个阶段纤维中的短程有序结构，明确从非晶向石墨晶的结构演变规律，从原子近邻距离角度揭示碳纤维乱层石墨结构的形成机制。完成的主要研究内容有：（1）研究了从PAN粉料到PAN原丝，整个纺丝过程中有机纤维的短程有序结构及其演变规律；（2）研究了预氧化和碳化过程中，温度对纤维短程和长程结构演变的影响；（3）揭示了碳纤维与石墨、碳黑和碳纳米管等其他SP2杂化碳材料在短程和长程范围内结构上的异同，揭示了碳纤维的结构本质；（4）研究了碳化温度对碳纤维力学性能的影响规律，并揭示了微观结构与抗拉强度、弹性模量之间的相关性。实现的理论突破和主要创新点有：（1）采用原子径向分布函数法研究碳纤维制备过程中的结构演变，从原子级尺度层次上揭示了碳纤维的微观结构本质：在SP2杂化的碳家族中，碳纤维的结构与碳黑最相近。碳纤维中的原子相关性仅存在于2个碳网层面之间，没有三维有序性。首次提出碳纤维的平均有序畴尺寸仅0.5nm之内。（2）在PAN纤维中2～3个大分子链之间是以一定距离规则排列的，6Å是PAN大分子链间的相关距离。（3）在整个纺丝过程中，从PAN粉料到PAN纤维，原子最近邻距离都为1.51Å，其他原子近邻距离也都几乎相等，配位数也相同，表明在纺丝过程中没有发生明显的化学结构变化。（4）在预氧丝和碳化纤维中分子链间相关性规律远不如PAN原丝中明显，仅在<5Å内存在分子链内和分子链间的相关性，表明在预氧丝和碳化纤维中系统平均的相关性距离仅存在2个分子链之间。（5）通过原子径向分布函数法揭示了SP2杂化的碳家族内几种常见碳材料的结构差异：石墨的碳网基面最小，因为其C-C距离最短，而碳黑和碳纤维的碳网基面较大，碳纳米管的碳网基面最大。有序畴尺寸大小顺序依次为石墨、碳纳米管、碳黑、碳纤维。本项研究成果为制备高强度PAN基碳纤维提供了必要的理论依据。