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基本結(jié)構(gòu)
理想石墨晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)屬于六方晶系，它是由碳原子組成六元環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多層疊合體,在六元環(huán)中，碳原子以sp 2雜化的形勢存在，sp2雜化是有1個2s電子和2個2p電子進(jìn)行雜化,構(gòu)成3個等價的σ強(qiáng)鍵，鍵距為0.1421nm，平均鍵能為627kJ/mol，鍵角互為120。
同一平面內(nèi)剩下的純2p軌道垂直于3個o鍵所在的平面，構(gòu)成π鍵各碳原子的π鍵彼此平行而重疊，形成一個大π鍵; π電子上的非定域電子可自由地平行于層面運(yùn)動, 賦予其導(dǎo)電性能。它們可以吸收可見光，使石墨呈現(xiàn)黑色。石墨層面間依靠范德華力作用,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于層內(nèi)的價鍵力，層間距0.3354nm，鍵能為5.4kJ/mol，石墨層相互錯開六元形對稱的一半,每隔一-層重復(fù)，形成ABAB..結(jié)構(gòu)[4] ,而賦予其自潤滑性和層間易插層性，如圖2-5所示。碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，屬于多晶亂層石墨結(jié)構(gòu)。與石墨結(jié)構(gòu)的差別在于它的原子層面之間發(fā)生了不規(guī)則的平移與轉(zhuǎn)動(見圖2-6)，其六元網(wǎng)狀共價鍵結(jié)合在-起的原子層基本上平行于纖維軸排列，所以一般認(rèn)為碳纖維是由沿著纖維軸高度取向的亂層石墨結(jié)構(gòu)組成，致使其具有極高的軸向拉伸模量。石墨的層狀結(jié)構(gòu)具有顯著的各項(xiàng)異性，使其物性也呈現(xiàn)出各項(xiàng)異性。
圖2-6碳纖維的亂層石墨結(jié)構(gòu)
碳纖維性能及應(yīng)用
碳纖維按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維;按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000 MPa、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型(強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa )和高模型(模量300GPa以上)。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型;模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好,纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化,與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此,碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。