一种碳纤维均匀性显微表征评价方法技术

本发明专利技术目的在于提出一种碳纤维均匀性显微表征评价方法，该方法可以系统评价碳纤维结构均匀性好坏，它不受碳纤维不同直径，不同密度，不同批次及不同公司的产品结构的限制，同时也不区分是否为高模量或高强度碳纤维，为定性评价碳纤维结构均匀性好坏提供了一个较简便易行的评价标准，具体方法为：采集碳纤维轴水平的薄片样品，利用透射电镜采集碳纤维纵截面直径大小薄片上的一系列连续的选区电子衍射（SAED）花样；然后沿着每个衍射弧分别读出圆周上各位置上（0002）的衍射强度值，得到择优取向角OA图；取向角直接对应于碳纤维的（0002）碳原子层的排列取向度，利用取向角精确地定量表征碳纤维的织构度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术目的在于提出，该方法可以系统评价碳纤维结构均匀性好坏，它不受碳纤维不同直径，不同密度，不同批次及不同公司的产品结构的限制，同时也不区分是否为高模量或高强度碳纤维，为定性评价碳纤维结构均匀性好坏提供了一个较简便易行的评价标准，具体方法为：采集碳纤维轴水平的薄片样品，利用透射电镜采集碳纤维纵截面直径大小薄片上的一系列连续的选区电子衍射（SAED）花样；然后沿着每个衍射弧分别读出圆周上各位置上（0002）的衍射强度值，得到择优取向角OA图；取向角直接对应于碳纤维的（0002）碳原子层的排列取向度，利用取向角精确地定量表征碳纤维的织构度。【专利说明】
本专利技术涉及一种对碳纤维径向结构均匀性的表征评价方法，它适合于任意不同前驱体的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，并能够定性地表示沿纤维径向方向结构均匀性的变化。
技术介绍
碳纤维是一种含碳量超过90%的纤维类炭材料，由其它有机纤维热解制成，具有密度小、强度高、模量高、抗耐疲劳、耐高温、抗腐蚀、导电性好、热膨胀系数小等特点，广泛用于纤维增强树脂基复合材料。PAN基碳纤维是高性能碳纤维中最主要和占绝对地位的品种，在航天航空、兵器、船舶等国防领域具有不可替代的作用，是世界各国高度重视的战略性基础材料，如今也已广泛应用于商业、民用航空、文体、工业以及运输等领域，具有广阔的应用前景。在生产碳纤维过程中，其工业化指标主要为拉伸强度和拉伸模量及其他标准(缺陷的多少，碳的产率，杂质元素的含量等)。尽管有时产品为同一生产线所产，但由于控制条件的微小改变，而使得碳纤维的结构参数有较大的改变，如直径大小，密度的微不均匀及表面粗糙度等非结构缺陷的改变。此时如果仍然还用拉伸性能来表征同一产品的好坏，就难免排除不了上述因素对拉伸性能的影响，尤其是直径和密度的变化对拉伸性能的影响更大。此外，尽管同属于聚丙烯腈基碳纤维，不同的厂商，生产出来的产品性能也千差万别，如何建立一个统一的评价体系来鉴别各个厂家PAN基碳纤维结构均匀性的好坏尤为重要。PAN基碳纤维基本结构的测定如直径，密度，表面粗糙度及表观缺陷(裂纹和杂质)等，只是其基本结构特征的描述，很难把它们用于区分其他不同结构的碳纤维。目前，针对碳纤维结构的研究手段主要集中在以下几个方面:一、X 射线衍射(XRD):物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分为定性分析和定量分析。前者是对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系，检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。同时，也被广泛的应用于点阵参数的测定，但它测量的结构如(002)面间距，只是所有片层的一个平均值，很难区分每根纤维的微观差别，如直径粗细的不均匀性及均匀直径纤维的微观结构差另Ij，而且还不能得到更多的微区信息。二、扫描电镜(SEM)扫描电镜的电子束不穿过样品，仅在样品表面扫描激发出二次电子。获得图像为立体形象，反映标本的表面结构。它主要用于物质化学成分和显微结构分析及材料纳米尺寸的研究。由于扫描电镜受到自身分辨率的限制，很难给出精细的结构信息。尽管有文献报道了 FE-SEM去观察不同体系的聚丙烯腈碳纤维并得到了表面的不同形貌特征，如粒子状和颗粒状，但是其概念太过于宏观，不能定性的给出结构变化信息。虽然也可以观察碳纤维表面的裂纹，夹杂物及孔洞等，但这些都属于产品缺陷，不能用以与其他厂家的产品进行对比，总之，用SEM得到的信息缺乏标准的可量化操作性。三、透射电镜(TEM)在TEM中，电子束穿过样品时会与样品发生相互作用，可产生弹性散射电子和非弹性散射电子。透射电子和布拉格衍射电子是TEM形貌像、高分辨(HREM)像和选区电子衍(SAED)的信号来源。电子衍射是透射电子显微镜的主要工作模式之一，也是材料学中对微区(亚微米量级)进行晶体结构分析的重要研究方法。电子衍射图谱相当于一个二维倒易阵点平面的投影，每一个衍射斑点与一个倒易阵点对应。所以可以从已知的单晶正点阵绘制倒易点阵；反之，也可以利用倒易点阵来推断该单晶样品的点阵类型。透射电镜除可观察形貌外，其选区电子衍射在晶体结构中的作用可与X射线衍射相媲美。选区电子衍射是用光阑限制电子束，使只在物体感兴趣部位产生电子衍射，从而进行微区结构分析。所以透射电镜在微区电子衍射方面更优于X射线衍射，并且它能够在微观上得到材料结构的变化。炭材料的一个显著特点是其结构的各向异性，这是由其晶体结构决定的。通常，可以用乱层结构模型描述炭材料的结构特征，其中微晶的定向排列形成织构组织。在过去很长一段时间，研究者一般用偏光显微镜(PLM)测量的消光角(Ae)来定量描述织构的定向度。近年来，消光角的表征方法因为其众多的缺点已经被逐渐废弃，取而代之的是用TEM技术获取的择优取向角(OA)来表征炭材料织构的定向度。取向角直接对应于炭材料的(002)炭层的排列定向度，利用取向角可以精确地定量表征炭材料的织构度。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出一个可以系统评价碳纤维结构均匀性好坏的方法，它不受碳纤维不同直径，不同密度，不同批次及不同公司的产品结构的限制，同时也不区分是否为高模量或高强度碳纤维，为定性评价碳纤维结构均匀性好坏提供了一个较简便易行的评价标准。本专利技术具体提供了，其特征在于:制备碳纤维轴水平的薄片样品，利用透射电镜采集碳纤维纵截面直径大小薄片上的一系列连续的选区电子衍射(SAED)花样(即SAED谱)；然后沿着每个衍射弧分别读出圆周上各位置上(0002)的衍射强度值，得到择优取向角OA图；取向角直接对应于碳纤维的(0002)碳原子层的排列取向度，利用取向角精确地定量表征碳纤维的织构度。本专利技术所述碳纤维均匀性显微表征评价方法，其特征在于:所述薄片样品在包埋，切割及磨抛过程中需保证纤维轴和水平面平行，而且减薄后的样品要求薄区厚度均一，近似纤维直径大小的薄区为宜。本专利技术所述碳纤维均匀性显微表征评价方法，其特征在于:所述SAED谱是沿碳纤维纵截面径向采集的一系列SAED图，每一个选区位置需要和上一个选区位置近邻(以保持系列衍射谱的连续性)，并且样品移动方向和样品纤维轴垂直；同时要保证每张衍射谱是在相同的加速电压、放大倍数、第二聚光镜电流、曝光时间及相机常数下得到的。本专利技术所述碳纤维均匀性显微表征评价方法，其特征在于:碳纤维取向角的测量需要提取(002)衍射弧上的方位角的强度，读入经初步图像处理的SAED谱，沿着衍射弧读出一个圆周上各位置上的衍射强度值，然后将获得的衍射强度值沿360度展开，最后对所获得的数据进行高斯拟合，得到衍射峰位强度分布的半高宽，此半高宽能定量的描述炭纤维中微晶的择优取向角OA。本专利技术所述碳纤维均匀性显微表征评价方法，其特征在于:为了获得精确的数值，同时分析在半径为衍射弧半径误差正负3%的圆上的衍射强度，最后求出得到的三个OA值的平均值即能准确地获得局部区域内的0A。本专利技术所述碳纤维均匀性显微表征评价方法，其特征在于:收集每个位置的衍射图谱并进行OA测量，并且把SAED的位置与碳纤维的直径对应起来，做出相应的OA变化曲线，从而表征整根碳纤维各个区域内的碳原子面的择优取向程度沿径向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维均匀性显微表征评价方法，其特征在于：制备碳纤维轴水平的薄片样品，利用透射电镜采集碳纤维纵截面直径大小薄片上的一系列选区电子衍射（SAED）谱；然后沿着每个衍射弧分别读出圆周上各位置上（0002）的衍射强度值，得到择优取向角OA图；取向角直接对应于碳纤维的（0002）碳原子层的排列取向度，利用取向角精确地定量表征碳纤维的织构度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺连龙，郭新爽，刘叶群，周庚衡，郑风珊，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21