俄罗斯研究碳纤维微观结构

俄罗斯用于宇航工业的碳纤维复合材料有多个品种，有碳塑料型的，是直接压制法制造；有碳纤维机织物或碳纤维针织物，经酚醛树脂改性浸渍后卷绕而成的，等等。在零件制造过程中，复合材料会出现内部的层离现象，这与碳纤维复合材料的不均匀性和各向异性有关。近年不同企业，采用不同工艺生产的碳纤维及其织物品质参差不齐，把它们用于火箭、无线电宇航技术的复合材料时，使用单位需要对其生产厂商、生产批次进行优选，才能保证品质和性能的可靠。

俄罗斯乌拉尔化学科学研究院等科研院所对不同产地的粘胶基碳纤维、粘胶基碳纤维织物，共计六种，进行了微观结构上的分析研究。三种碳纤维的生产厂商分别为俄罗斯萨拉多夫州巴拉科夫材料厂股份公司、白俄罗斯光明山《化纤》生产联合体、白俄罗斯莫吉廖夫人造纤维厂。三种碳纤维织物的生产厂商均为白俄罗斯光明山《化纤》生产联合体。研究采用热解质量分析法、水银孔率测定法、电子显微镜法，样品长度2-3mm。

将样品加热，三种碳纤维在25℃-120℃时，分别出现7.3%-9.1%的质量损失，其原因是水气排出，或其他挥发物质排出。而三种碳织物在上述温度下未见质量损失。全部样品进一步加热达600℃，质量损失不大。在更高温度下的质量变化发生在氧化过程中，受氧气的影响。热解质量分析证明，碳纤维有孔，其中吸附的水气和挥发物质在加热时可分解，孔的尺寸从0.3-10微米，组成所有孔容积的基本部分。还发现，碳纤维存在为数不多的纳米孔，直接分布于纤维体中。虽然碳纤维和碳纤维织物的样品都有孔，但结构有所不同。电子显微镜照片可见，碳纤维织物由单纤维组成，这种单纤维表面光滑，可见的孔仅在纤维表面端部，因此热解质量分析时，直至500℃，纤维质量都未见损失。

碳纤维孔中的可挥发物质，在后序的热加工过程中，可能会出现某些无法预料的“复杂性”，吸附—解吸过程发生在碳纤维复合材料或碳纤维预浸渍体的高温加工时，使加工成品品质变差，在加热加压后，被吸附的物质从材料中分离出来，积累在纤维表面区域，形成有机颗粒，这样增大了应力集中的概率，会在碳纤维复合材料中形成缺陷或疵点。

对于这种碳纤维复合材料，不适合使用材料硬度检验。采用可溶性有机溶剂，萃取剂是丙酮、乙醇、挥发性碳氢化合物，吸附进纤维孔中，干燥时不会被排除。精确了解碳纤维结构和吸附性质的数据，有助于碳纤维复合材料的质检分析，正确执行零件制造工艺中的校正规程，以求使宇航工业精密零件的缺陷与不足，降至最低水平。

（燕星编译）