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近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所張壽春研究員團(tuán)隊在碳纖維微觀結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得進(jìn)展，以《Assessing the radial microstructural heterogeneity of polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers using nanoindentation》（利用納米壓痕技術(shù)評估聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的徑向微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性）為題發(fā)表在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上。該論文創(chuàng)新性地提出了一種基于納米壓痕技術(shù)表征碳纖維徑向結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和石墨微晶取向性的新方法，為碳纖維微觀結(jié)構(gòu)研究提供了一種制樣簡單、可靠高效的新技術(shù)途徑。
來源|山西煤化所
就像撥開電纜芯一樣，從里到外，從中心向邊緣，材料的微觀性能未必都能均勻保持一致，這就是徑向異質(zhì)性（Radial Heterogeneity），也叫做皮芯結(jié)構(gòu)。
碳纖維是一種典型的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性物質(zhì)，對碳纖維徑向異質(zhì)性的微觀結(jié)構(gòu)解析和精準(zhǔn)調(diào)控，對于突破下一代高強(qiáng)度高模量碳纖維技術(shù)瓶頸具有重要意義。人們對這種結(jié)構(gòu)認(rèn)識較少。
隨著先進(jìn)微區(qū)表征技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的徑向異質(zhì)性結(jié)構(gòu)特征才逐漸被揭示，如選取電子衍射（SEAD）、微束X射線衍射（microbeam-XRD）等等。然而，此類高分辨分析技術(shù)的樣品準(zhǔn)備難度極高，樣品需要保證嚴(yán)格的尺寸精度和表面平整度，其復(fù)雜的預(yù)處理流程顯著增加了實驗難度。
此外，關(guān)于碳纖維微觀力學(xué)性能徑向分布的報道也很少。另辟蹊徑，找到一種簡單的表征技術(shù)非常有必要。
納米壓痕檢測技術(shù)（Nanoindentation），猶如一位微觀世界的“地質(zhì)學(xué)家”，用納米探針輕叩材料表面，從細(xì)微的凹痕波紋中破譯出深藏于原子間的硬度和韌性的密碼。
碳纖維納米壓痕測試示意圖及微觀力學(xué)性能徑向分布
納米壓痕技術(shù)是現(xiàn)代微觀力學(xué)表征的關(guān)鍵手段，在碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，例如碳纖維復(fù)合材料界面性能研究、碳纖維彈性常數(shù)測定等等。其具有納米級位移控制精度的核心優(yōu)勢。研究團(tuán)隊采用納米壓痕技術(shù)系統(tǒng)性地評估了幾種商品化PAN基碳纖維分別在軸向和橫向上微觀力學(xué)性能（彈性模量和硬度）的徑向分布。結(jié)果表明強(qiáng)度等級較低的T300和T700S級碳纖維表現(xiàn)出嚴(yán)重的徑向微觀力學(xué)性能異質(zhì)性。相比之下，T800H、T800S以及T1000G級碳纖維展現(xiàn)出優(yōu)異的徑向微觀力學(xué)均勻性。碳纖維軸向微觀力學(xué)性能與橫向微觀力學(xué)性能之比R可以在一定程度上反映石墨微晶的取向性，R越大，石墨微晶取向性越好。從而推斷出單纖維內(nèi)不同區(qū)域的取向度由高到低依次為：過渡層、皮層、芯層。
碳纖維石墨微晶取向分布及受壓縮時變形機(jī)制
納米壓痕技術(shù)在評估碳纖維徑向異質(zhì)性結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出制樣簡單、結(jié)果可靠和檢測效率高的顯著優(yōu)勢。
本研究創(chuàng)新性地提出了一種基于納米壓痕技術(shù)表征碳纖維微觀結(jié)構(gòu)的新方法，彌補(bǔ)了碳纖維微觀力學(xué)性能徑向分布研究的空缺。