碳纤维常见的表征方法

供稿:hz-xin.com     日期:2025-01-08
碳纤维,一种性能优异的新型纤维材料,由有机物前驱体纺丝,在惰性气体气氛下预氧化、碳化及石墨化制备而成。碳纤维依据原料分类可分为粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基三类,按力学性能分为通用型与高性能型,后者又细分为中强度型、高强度型、超高强度型,以及中模量型、高模量型和超高模量型等。根据长度,碳纤维还可分为长纤、短切、连续及不连续碳纤维。制备条件分类则有石墨碳纤维、普通碳纤维、活性碳纤维及气相中凝结生长的碳纤维。碳纤维在生物化工、国防军事、航空航天、交通运输、体育休闲等领域有广泛应用。本文将介绍几种常见的碳纤维表征方法。

表征方法之一是扫描电子显微镜(SEM)。SEM有助于观察碳纤维的制备过程和微观结构。以芦苇衍生碳纤维(PCF)为例,通过SEM可以看到碳化后的中空结构,保持原始形状需控制在5°c/min的碳化条件。PCF的天然纤维长度约为1cm,直径约为10μm,产生约1000的大纵横比,有利于电磁波的多次散射和反射。中空纳米颗粒的TEM图显示CoFe2O4(CFO)的直径范围为300-400nm,由数百个CFO纳米颗粒组成,其独特中空结构增强了磁损耗,并在复合材料中产生协同效应,提升性能。PCF在水热过程中保持中空结构完整性,CFO均匀包裹在PCF上,推测在水热条件下CFO纳米颗粒聚集形成空心球,然后均匀附着于成千上万的PCF上。

能量色散X射线光谱(EDS)是分析碳纤维表面元素分布的另一种方法。通过EDS分析,可观察到碳涂层表现出均匀的N原子掺杂,表面显示出O、Fe、Co和Ni的均匀分散。这些元素的分布图证实了通过一系列反应形成FeCoNi的可能性。EDS光谱显示改性SCF的C浓度最高,其次是O和FeCoNi,表明成功改性的原因。

透射电子显微镜(TEM)和高分辨率TEM(HRTEM)用于研究材料形貌。CoS2/CF-0.8是一种连续的1D纳米结构,平均尺寸约为26nm的CoS2纳米颗粒均匀分布在纳米纤维微观结构中。HRTEM和选区衍射(SAED)结果证实了CoS2的晶格条纹对应(200)、(410)和(220)晶面。类似地,CoS2/PF-0.8和CoS2/C的形貌同样展示出均匀分布的CoS2纳米颗粒,而CoS2/C呈现颗粒状结构。

原子力显微镜(AFM)进一步分析碳纤维表面形态和粗糙度。原始碳纤维表面相对光滑,氧化处理后表面变粗糙,表面粗糙度和波动增加。接枝MDI后,表面颗粒状突起增多,表面粗糙度最大。这种粗糙结构有利于改善界面结合,提供物理锚点和更多接触面积。

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)可用于表征碳纤维表面微观结构。原始碳纤维在特定波长处存在拉伸振动峰值,氧化后,引入大量-OH和-COOH,导致拉伸振动峰值增加。MDI接枝后,-NCO特征峰出现,表明成功接枝。进一步证实了碳纤维的多尺度表面改性。

拉曼光谱常用于研究碳纤维的结构特征。G峰对应规整石墨结构,D峰代表无定形碳结构。D峰与G峰之间的积分强度之比(R,AD/AG)表征石墨化程度,R值越高,无序程度越大。

X射线衍射(XRD)用于研究碳纤维结构特征。掺Ca的CF表现出不同的衍射图,表明样品中存在石墨组分。通过XRD研究,Ca在有序碳结构的发展中起着重要作用。

x射线光电子能谱(XPS)研究热解过程对碳纤维表面键合构型和元素组成的影响。XPS结果表明,通过热解过程处理的CFs,OC=O和C=O含量增加,C-O含量下降。这些变化归因于热解过程中少量氧气的使用。

矢量网络(VNA)评估材料的电磁吸收性能。N, Zn-PNP/NCFs表现出比NC更高的EMW吸收性能,包括吸收强度和有效吸收区。N, Zn-PNP/NCFs-2在特定波段上表现出强的EMW吸收特性,优于其他样品及大多数碳基吸收剂,表明其在实际应用中的潜力。

电化学测试研究MoS2@CNF、Fe2O3@CNF和MoS2/Fe2O3@CNF-3复合材料的储能性能。MoS2/Fe2O3@CNF-3的电化学性能测试结果显示,首次放电比容量达到1358mAh·g-1,可逆容量达到1060mAh·g-1,电化学性能好归因于MoS2和Fe2O3的协同作用。

动态热机械分析(DMA)评估复合材料的热机械稳定性。CF与环氧树脂之间的结合较差,导致更多的能量耗散。ZnO-MOF结构的引入提高了复合材料的界面活化能,表现出优异的热机械稳定性。

接触角测试评估碳纤维的疏水性。碳纤维表现出显著的疏水性,原位热处理后,表面形成了致密均匀的纳米颗粒结构,导致接触角略有减小。碳纤维和FeOCl/CF的疏水性有助于在三相边界附近提高气体扩散层的扩散系数,有利于O2以气泡形式直接利用。

综上所述,碳纤维的表征方法多种多样,从SEM、EDS、TEM、AFM、FT-IR、Raman、XRD、XPS、VNA、电化学测试、DMA和接触角测试等,每种方法都有其独特优势,共同提供了全面深入的碳纤维性能和结构信息。通过这些方法的综合运用,可以全面了解碳纤维的性能特征,为碳纤维在不同领域的应用提供有力支持。

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纤维的结构表征是什么意思
纤维的结构表征是指对于纤维的形态、尺寸、形貌、结晶度、热稳定性、化学组成等性质进行测试和评价。有很多先进的表征方法可以有效地对纤维进行分析,例如透射电镜、核磁共振、X射线衍射等。这些技术的运用使得我们更好地了解纤维的性质与结构,推动了相关领域的研究和生产。

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纺织物理目录
第二节 纺织纤维结构特征与表征 本节详细阐述了纺织纤维结构的一般特征、表征方法以及纤维弱节结构的表征,有助于深入了解纤维的结构特征。第三节 常用纤维的实际结构 本节涵盖了天然纤维素纤维、天然蛋白质纤维、人造纤维、合成纤维、弹性纤维等常见纤维的实际结构,为后续章节提供了基础。第四节 特种纤维...