聚丙烯腈碳纤维中多尺度炭片层与非晶结构的演变

高性能聚丙烯腈基碳纤维是国防武器工业、轻量化汽车和大飞机制造等领域急需的增强材料，其优异的力学性能取决于微结构特征。前期研究发现，采用高分辨透射电镜、拉曼光谱和常规X射线衍射等传统分析手段，很难准确、全面表征碳纤维的多尺度炭片层和多形态非晶态结构。本项目采用高分辨X射线衍射谱傅立叶变换的方法解析碳纤维中的炭层片空间排列状态；采用全谱拟合并结合Rietveld精修的方法二维解析炭层片堆垛、炭网面尺寸分布状态和炭层面间距分布状态等参数。本项目采用X射线衍射精细解析并结合TEM、小角X射线散射等多种手段研究石墨化过程中碳纤维中多尺度炭片层和晶内、晶间无序结构的高温演变机制，揭示乱层石墨结构的本质，阐明碳纤维中乱层结构和非晶态结构变化引起的孔隙结构变化规律，探索碳纤维的微结构与宏观力学性能、断裂机理之间的内在关联性。本项目的研究成果有望为高强高模碳纤维的研制提供理论指导。

本项目针对聚丙烯腈基碳纤维的微结构精细解析方法及其在炭化及石墨化高温热处理过程中的微结构演变规律展开研究，研究了碳纤维中多尺度碳层面积层分布解析方法、多尺度碳层面尺寸分布解析方法、孔隙结构及非晶态碳结构等进行了大量研究，并编制了相关程序进行结构解析；针对典型碳纤维进行炭化和石墨化高温热处理过程中的结构演变规律进行对比研究，阐明了高温热处理过程中碳纤维中碳积层多尺度分布结构、碳层面多尺度尺寸分布状态、孔隙尺寸、孔隙形状、孔隙率等微结构演变规律；揭示了碳纤维中碳层面组织结构演变对孔隙结构的影响；阐明了高温热处理过程中碳纤维径向不均匀结构的演变规律。在此基础上，进一步研究了碳纤维微结构与高温热处理过程中力学性能、断裂形貌的关联关系等。本项目的实施可为我国高模量碳纤维制备过程中的微结构、性能控制提供指导和方法、基础理论支撑。