碳纤维的结构？影响碳纤维强度的重要因素

碳纤维的结构取决于原丝结构与碳化工艺。对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的是除去有机纤维中除碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达10%～80%，因此会形成各种微小的缺陷。但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。用X射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。

在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤​，其直径约数微米。原纤呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成，条带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。

石墨微晶在整个纤维中的分布是不均匀的，碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的14%，芯子占39%，由皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性愈来愈显著。

实测碳纤维石墨层的面间距为0.339～0.342nm，比石墨晶体的层面间距（0.335nm）略大，各平行层面间的碳原子排列也不如石墨那样规整。依据C—C键的键能及密度计算得到的单晶石墨强度和模量分别为180 GPa和1000 GPa左右。而碳纤维的实际强度和模量远远低于此理论值。这主要是由纤维中的缺陷和原丝中的缺陷所造成的。

影响碳纤维强度的重要因素是纤维中的缺陷：原丝带来的缺陷，碳化过程中产生的缺陷。在聚丙烯腈碳纤维上存在异形、直径大小不均、表面污染、内部杂质、外来杂质、各种裂缝、空穴、气泡等缺陷。原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，而大部分将变成碳纤维的缺陷。在碳化过程中，由于大量的元素以气体形式逸出，纤维表面及其内部生成空穴和缺陷。绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方。