CN105699377A - 一种碳纤维径向结构的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维径向结构的表征方法,包括如下步骤:1)通过显微镜测得待测碳纤维的直径,并测定其体密度;2)将待测碳纤维置于刻蚀液中,以碳纤维为阳极,石墨为阴极,经电流处理,进行刻蚀;3)经刻蚀后的样品进行清洗、干燥,再次测定待测碳纤维的直径以及内层的体密度。该方法将碳纤维置于刻蚀液中电流处理,操作简便,制样方法简单,样本数量多,测试时间短,成本低。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维的表征领域,具体涉及一种碳纤维径向结构的表征方法。
背景技术
碳纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、耐高温、耐化学腐蚀、导电性好等优异性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造、风力发电、高档体育器材等领域。
用于碳纤维制备的先驱体纤维自身存在径向结构差异,而且这种差异会在高温热处理过程中加剧。最终形成的碳纤维结构中表层为有序性较好的石墨结构,内层石墨结构有序性较差。由于碳纤维力学性能与其结构密切相关,有序的石墨结构会使碳纤维具有较高的拉伸模量和强度。因此,针对碳纤维径向结构的表征成为碳纤维材料的表征评价重点。传统的透射电镜能够观察到碳纤维径向结构的差异,但是用于电镜评价样品的制备非常困难,而且很难区分皮层与芯层,也不能实现沿直径方向的逐步评价。拉曼光谱的径向结构评价也能够提供纤维在直径上的结构差异,但是其石墨特征结构主要针对具有非常规整结构的碳纤维,主要针对超高温热处理的碳纤维(温度高于2000℃),不能很好适用于1800℃下处理获得的碳纤维。此外,研究碳纤维径向结构方法还可用物理摩擦将纤维内层裸露出来再进行表征分析,但该方法不仅操作十分复杂,而且因为碳纤维直径只有微米级,所需样品较难得到,且存在随机性,只能从众多纤维单丝样品中选择合适单丝样品进行评价拉曼光谱评价,仍无法获知检测点在纤维中的深度。
中国发明专利(公开号CN105021621A)公开一种石墨烯的表征方法,至少包括以下步骤:提供一形成于衬底上的石墨烯,将所述石墨烯连同其下的衬底一起放入腐蚀性溶液中浸泡预设时间,然后取出所述石墨烯及所述衬底,将所述衬底放置于显微镜下,观测所述衬底上石墨烯的表面形貌,并根据所述石墨烯下方所述衬底的腐蚀程度判断所述石墨烯表面的破损情况。上述发明中需要使用衬底,实验过程比较复杂;并且仅使用腐蚀性溶液浸泡反应过慢,耗时过长。
因此,本领域急需操作简便、制样方法简单、耗时短、成本低,不易受外界干扰的碳纤维径向结构的测定方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种碳纤维径向结构的表征方法。
为了解决上述技术问题,本发明所提供的技术方案为:一种碳纤维径向结构的表征方法,包括如下步骤:
1)通过显微镜测得待测碳纤维的直径,并测定其体密度;
2)将待测碳纤维置于刻蚀液中,以碳纤维为阳极,石墨为阴极,经电流处理,进行刻蚀;
3)经刻蚀后的样品进行清洗、干燥,再次测定待测碳纤维的直径以及内层的体密度。
上述技术方案中,将待测碳纤维置于刻蚀液中,并经电流处理,能够高效的刻蚀掉碳纤维的表层,通过测定体密度可知表层已被刻蚀。其次,通过调节电流密度、刻蚀液种类、刻蚀液浓度以及处理时间,可以对碳纤维进行不同深度的径向刻蚀,然后对碳纤维的径向结构进行表征。上述技术方案,实验过程简单,在电流作用下,刻蚀液刻蚀效率提高,刻蚀时间缩短。
作为优选,所述的步骤2)中电流密度为0.1~40A/m2。作为进一步优选,所述的步骤2)中处理时间为5min~2h。上述的电流密度和处理时间能够加快碳纤维在刻蚀液中的刻蚀,不仅改变了无电流时,刻蚀液基本对碳纤维无刻蚀的现象,而且提高电流密度、刻蚀液浓度或是增加处理时间都能尽快获得内层碳纤维。
作为优选,所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液、高锰酸钾溶液、高锰酸钾与硫酸混合溶液、高锰酸钾与磷酸混合溶液、或者高锰酸钾、硫酸与磷酸三者混合溶液。作为进一步优选,所述的步骤2)中刻蚀液为高锰酸钾溶液(质量分数0.5~5wt%)、高锰酸钾与硫酸混合溶液(硫酸浓度10~98%,高锰酸钾质量分数0.5~5wt%)、高锰酸钾与磷酸混合溶液(磷酸浓度5~80%,高锰酸钾质量分数0.5~5wt%)、或者高锰酸钾、硫酸与磷酸(硫酸浓度10~98%,磷酸浓度5~80%,高锰酸钾质量分数0.5~5wt%)三者混合溶液。上述刻蚀液配合电流处理,都能够高效得对碳纤维的表层进行刻蚀,提高刻蚀的效率。
作为进一步优选,所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液,硫酸溶液的质量分数为10~98%。
作为优选,所述的步骤2)中干燥的温度为80~300℃,干燥的时间为10min以上。合适的干燥温度与时间,使得后续的表征更加的精确,减少干扰因素。
作为进一步优选,所述的步骤2)中干燥的温度为100~120℃,干燥的时间为30~60min。
作为进一步优选,所述的步骤2)中电流密度为6~32A/m2,处理时间为10~50min;所述的刻蚀液为硫酸溶液,硫酸溶液的质量分数为15%~50%。上述的技术方案中,通过电流密度、处理时间以及刻蚀液组成、浓度相互辅助配合,能够使得待测碳纤维的表层易于被刻蚀;并且通过调节这些参数,来进一步控制刻蚀的径向深度,使得表征更加的方便精确。
同现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
(1)操作简便,制样方法简单,样本数量多,测试时间短,成本低。
(2)原料适用范围广,碳纤维材料的体密度范围一般为1.6~1.93g/cm3。
(3)测试结果较为直观,可获得碳纤维直径变化以及碳纤维沿直径方向的径向结构差异。
具体实施方式
径向结构
本文所用的术语“径向结构”指碳纤维在制备过程中由外而内形成的渐变结构。
碳纤维
本文所用的术语“碳纤维”指碳纤维制备过程中,高温碳化阶段产生的纤维,也包括低温碳化阶段和超高温碳化阶段产生的纤维,体密度范围一般为1.6~1.93g/cm3。
刻蚀液
本文所用的术语“刻蚀液”指能在电流作用下用于逐渐刻蚀碳纤维外层,从而逐步裸露纤维内层的溶液。
实施例1:
碳纤维密度为1.768g/cm3,硫酸溶液浓度40wt%,电流大小为13和26A/m2时,处理时间15分钟,刻蚀后直径分别为纤维原直径的87%和78%,纤维体密度分别是1.755g/cm3和1.736g/cm3。
实施例2:
碳纤维密度为1.854g/cm3,硫酸溶液浓度50wt%,电流大小为22和26A/m2时,处理时间50分钟,刻蚀后直径分别为纤维原直径的78%和69%,纤维体密度分别是1.816g/cm3和1.802g/cm3。
实施例3:
碳纤维密度为1.768g/cm3,硫酸溶液浓度17wt%,电流大小为2、4和6A/m2时,处理时间40分钟,刻蚀后直径分别为纤维原直径的91%、90%和85%,纤维体密度分别是1.759g/cm3、1.758g/cm3和1.749g/cm3。
实施例4:
碳纤维密度为1.768g/cm3,硫酸溶液浓度30wt%,电流大小为7、14和21A/m2时,处理时间15分钟,刻蚀后直径分别为纤维原直径的91%、90%和85%,纤维体密度分别是1.759g/cm3、1.758g/cm3和1.749g/cm3。
实施例5:
碳纤维密度为1.768g/cm3,硫酸溶液浓度50wt%,电流大小为13、19和26A/m2时,处理时间15分钟,刻蚀后直径分别为纤维原直径的87%、83%和78%,纤维体密度分别是1.755g/cm3、1.743g/cm3和1.736g/cm3。
实施例6:
碳纤维密度为1.668g/cm3,硫酸溶液浓度40wt%,电流大小为26和32A/m2时,处理时间15分钟,刻蚀后直径分别为纤维原直径的89%和83%,纤维体密度分别是1.657g/cm3和1.652g/cm3。
从实施例1-6的测定结果可以看出,1.6~1.93g/cm3体密度范围内的碳纤维经过硫酸在电流密度下处理后,均不同程度地显示出结构差异。要达到快速测定则可适当提高硫酸浓度和电流密度,从而缩短刻蚀时间。
实施例7:
重复实施例1-6,不同之处在于采用的刻蚀液是高锰酸钾溶液(质量分数3wt%)、高锰酸钾与硫酸混合溶液(硫酸浓度40%,高锰酸钾质量分数3wt%)、高锰酸钾与磷酸混合溶液(磷酸浓度50%,高锰酸钾质量分数3wt%),或者,高锰酸钾、硫酸与磷酸(硫酸浓度40%,磷酸浓度50%,高锰酸钾质量分数3wt%)三者混合溶液。
实验结果表明,利用高锰酸钾溶液、高锰酸钾与硫酸混合溶液、高锰酸钾与磷酸混合溶液,或者,高锰酸钾、硫酸与磷酸三者混合溶液都能观察到纤维直径的减小,从而能够测得碳纤维体密度随直径的变化。从而证明,本发明的方法可利用本领域技术人员已知的各种刻蚀液,只要所述刻蚀液能够在电流作用下将纤维表面逐渐剥离,获得直径的变化,就能获得碳纤维径向结构随直径的变化。
对比例
重复实施例1-6,不同之处在于刻蚀时没有电流。
得到的结果表明,在没有电流情况下,在硫酸中浸泡15分钟,直径基本没有降低;延长硫酸浸泡时间,也不能使直径和体密度出现明显变化。因此,必须有电流的情况下,才能获得直径或是结构上的差异。
本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)通过显微镜测得待测碳纤维的直径,并测定其体密度;
2)将待测碳纤维置于刻蚀液中,以碳纤维为阳极,石墨为阴极,经电流处理,进行刻蚀;
3)经刻蚀后的样品进行清洗、干燥,再次测定待测碳纤维的直径以及内层的体密度。
2.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中电流密度为0.1~40A/m2。
3.根据权利要求2所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中处理时间为5min~2h。
4.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液、高锰酸钾溶液、高锰酸钾与硫酸混合溶液、高锰酸钾与磷酸混合溶液、或者高锰酸钾、硫酸与磷酸三者混合溶液。
5.根据权利要求4所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液,硫酸溶液的质量分数为10%~98%。
6.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中干燥的温度为80~300℃,干燥的时间为10min以上。
7.根据权利要求6所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中干燥的温度为100~120℃,干燥的时间为30~60min。
8.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法,其特征在于,所述的步骤2)中电流密度为6~32A/m2,处理时间为10~50min;所述的刻蚀液为硫酸溶液,硫酸溶液的质量分数为15%~50%。
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CN106932443A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-07-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于等离子体刻蚀技术的碳纤维径向结构与性能的研究方法 |
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