【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纤维检测，具体涉及一种定量分析碳纤维皮芯结构程度或结构均匀性的检测方法。
技术介绍
1、碳纤维具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、导电、导热、生物相容性好等一系列优异性能，在航空航天、国防、核能、风电、交通运输、体用用品、医疗器械等行业有着广泛的应用。预氧化(又称稳定化)过程是碳纤维制备过程中的关键阶段，也是碳纤维制备过程中最耗能、停留时间最长的工段。碳纤维前驱体在该阶段发生环化、脱氢、氧化交联等系列复杂的化学反应，逐步将线性大分子链转化为耐热的梯形及交联结构，便于进一步高温碳化处理。为了降低碳纤维的生产成本，预氧化阶段往往采用高温、快速的氧化工艺。然而，环化为热反应控制过程，氧化为氧扩散控制过程；高温及快速氧化过程容易在纤维表层形成致密的梯形结构，进一步阻碍氧气向纤维芯部的扩散速率，容易在预氧化纤维横截面范围内形成结构不均匀现象。碳化过程将氧化纤维截面结构的差异性进一步加剧，最终影响碳纤维产品的机械性能。因而，分析尤其是定量分析碳纤维的皮芯结构程度，有助于对氧化工艺进行针对性的指导及调整，以制备截面结构均质、机械性能优异的高性能碳纤维产品。
2、聚丙烯腈碳纤维前驱体原丝是由微原纤、原纤结构沿纤维轴定向排列、堆砌形成的准晶体结构组成，预氧化及碳化过程会将前驱体结构的有序程度保留下来，前驱体及预氧化纤维经液氮冷冻脆断、碳纤维经刀片切断或液氮冷冻脆断形成的断面均由纳米颗粒及孔洞结构组成，在电子显微镜下难以观察到结构的不均一现象，很难对预氧化过程作出具有针对性的量化指导。此外，高性能碳纤维的直径往往
3、目前，对预氧化或碳纤维皮芯结构程度的定量检测主要有三类方法。其一，采用硫酸、甲酸、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺对预氧化纤维进行预处理，可将纤维两端芯部梯形或交联结构有限等氧化程度不足、线性结构为主的部分刻蚀或溶解，在扫描电子显微镜下分析皮芯结构程度。中国专利cn201611114005.2公开了一种聚丙烯腈预氧化纤维皮芯结构的检测方法，将2～4cm长的短切纤维在20～60％的硫酸溶液中沸腾回流处理0.1～2.0h，得到芯部发生刻蚀的中空纤维，去离子水冲洗干净后烘干处理，再于扫描电子显微镜下观察，进一步计算皮芯结构程度。采用该方法每次都会消耗一定量的硫酸溶液，与冲洗产生的低浓度硫酸溶液均属于危险化学品，会对环境造成一定污染；另外，硫酸溶液对不同前驱体、不同氧化程度的结构刻蚀温度及时间等条件均不同，需经多次刻蚀试验摸索基本条件，否则只能对同批次产品的结构均匀性进行对比分析；另外，干燥后的纤维杂乱不成束，难以保证纤维截面垂直于样品台，对纤维横截面在电子显微镜下的观察带来一定不利影响。
4、其二，对环氧树脂包埋碳纤维样品切割/片、抛光处理，采用光谱类、射线类等设备对纤维截面的结构有序程度或元素含量沿直径方向进行检测分析。中国专利cn201010284020.8公开了碳纤维径向异质结构程度的测定方法，对切片后的树脂包埋碳纤维截面进行多点拉曼光谱分析，通过1360cm-1与1580cm-1两处散射峰的相对强度之比i1360cm-1/i 1580cm-1，得到相应石墨化程度，进而分析得到石墨化程度沿纤维直径的变化情况。相对于5～7μm的碳纤维直径，拉曼光谱光斑直径有限(≥1μm)，无法精确掌握皮芯结构程度，或把握结构发生异质化的临界位置。中国专利cn202010392578.1公开了一种预氧丝皮芯结构的表征方法，对树脂包埋纤维样品的端面实施研磨、抛光等修正及喷金处理，采用电子探针扫描纤维横截面，得到氧元素含量沿纤维径向的分布情况。采用光谱类、射线类分析仪器对纤维的预氧化程度进行表征时，不仅需要重复多次、采样多组平均以降低个体化差异带来的结构偏差；且该类测试耗时、测试费用昂贵。
5、其三，对树脂包埋纤维样品进行研磨、抛光处理，采用显微镜类设备对纤维截面形貌或结构进行分析。中国专利cn202010200070.7公布了金相显微镜测量聚丙烯腈预氧丝及碳纤维皮芯结构的方法。对树脂包埋纤维样品经砂纸机械研磨、研磨膏抛光后，采用金相显微镜对纤维截面进行观察。针对预氧化程度较低的预氧丝，金相显微镜下的皮芯差别显著，可采用该方法测定其皮芯结构；对于预氧化程度相对合适或较高的预氧丝，金相显微镜下皮芯结构差异很微弱，很难采用该方法进行定量分析。针对树脂包埋碳纤维样品，采用机械切割、砂纸研磨、研磨膏抛光。由于碳纤维“脆”的特性，多数情况下研磨、抛光后在扫描电子显微镜下的纤维截面呈现碎片状，很难制得碳纤维截面平整的样品；且截面平整的碳纤维样品在金相光学或扫描电子显微镜下的皮芯结构也难以观察到。中国专利201410075559.0公布了一种碳纤维均匀性显微表征检测方法，对树脂包埋碳纤维样品经机械切割、氩离子抛光减薄至5～200nm厚，采用透射电镜对纤维横、纵截面进行形貌观察，结构分析。可以较为精确的描述或观察到碳纤维截面的结构差异及皮芯环等特性，同时可获得oa角沿纤维径向的变化情况，从而得到纤维截面内的质地均匀程度。其缺点是对样品的厚度要求较为严苛，制样方法比较复杂，制样成功率较低(低于30％)且制样持续时间较长(18～36小时)。
技术实现思路
1、针对目前对碳纤维皮芯的检测方法存在复杂、成本高、要求高、精度差的问题，本专利技术提供了一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，以环氧树脂为基体对碳纤维进行包埋，采用离子切割仪对树脂包埋纤维样品进行切割、抛光处理，经扫描电子显微镜形貌观察获得sem形貌图，根据碳纤维直径及芯部直径计算得到纤维的皮芯结构程度。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用了下列技术方案：
3、一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，包括以下步骤：
4、步骤1，取碳纤维束30～50mm，采用胶水将其固定在中空的纸框两端，并置于模具中，使纤维束保持竖直；
5、步骤2，采用环氧树脂对碳纤维进行包埋，将一定比例混合均匀的环氧树脂及固化剂的混合物静置脱泡5min后缓慢倒入模具中，在温度为25～120℃、相对压力为-0.09～0.01mpa的条件下固化0.5～10小时，得到包埋样品；
6、步骤3，采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光；
7、步骤4，采用扫描电子显微镜对离子束抛光的包埋纤维进行形貌观察、拍照；
8、步骤5，根据碳纤维皮、芯两种结构在sem图中衬度不同计算对应的皮芯结构程度。
9、进一步，所述步骤5根据碳纤维皮、芯两种结构在sem图中衬度不同计算对应的皮芯结构程度，具体是：根据纤维横、纵截面的sem图分析得到，计算方法如下：
10、
11、其中，f为纤维的皮芯结构程度，r芯部为芯部半径，r纤维为纤维的半径。
12、进一步，所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤5根据碳纤维皮、芯两种结构在SEM图中衬度不同计算对应的皮芯结构程度，具体是：根据纤维横、纵截面的SEM图分析得到，计算方法如下：
3.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光具体是选择沿碳纤维横截面或纵截面进行切割、抛光。
4.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光时，切割阶段采用离子束切割仪的聚焦模式，抛光阶段采用离子束切割仪的非聚焦模式。
5.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光时，离子束与包埋样品的表面角度为：切割阶段6～15°、抛光阶段1～6°。
6.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结
7.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤4中扫描电子显微镜的观察电压为10～20kV，放大倍数为5000～15000倍。
8.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤2采用环氧树脂和固化剂的混合物对碳纤维进行包埋得到包埋样品，具体是混合均匀的环氧树脂和固化剂的混合物静置脱泡5min后缓慢倒入模具中，在温度为25～120℃、相对压力为-0.09～0.01MPa的条件下固化0.5～10小时，得到包埋样品。
9.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述环氧树脂与固化剂的质量比为100:7～24，环氧树脂的环氧值为0.4～0.9。
10.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述离子束切割仪为氩离子单离子束、双离子束、三离子束或多离子束切割仪。
...【技术特征摘要】
1.一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤5根据碳纤维皮、芯两种结构在sem图中衬度不同计算对应的皮芯结构程度，具体是：根据纤维横、纵截面的sem图分析得到，计算方法如下：
3.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光具体是选择沿碳纤维横截面或纵截面进行切割、抛光。
4.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光时，切割阶段采用离子束切割仪的聚焦模式，抛光阶段采用离子束切割仪的非聚焦模式。
5.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步骤3中采用离子束切割仪对包埋样品进行切割、抛光时，离子束与包埋样品的表面角度为：切割阶段6～15°、抛光阶段1～6°。
6.根据权利要求1所述的一种定量分析碳纤维皮芯结构程度的检测方法，其特征在于：所述步...
【专利技术属性】
技术研发人员：张寿春，郭全贵，张兴华，王宏宝，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：
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