第35卷第1期
2008年北京化工大学学报
JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GY
Vol.35,No.1
2008
路忠跃 迟伟东3 沈曾民 刘 辉 于建民
(北京化工大学材料科学与工程学院，北京 100029)
摘 要：对中间相沥青基炭纤维在炭化过程中结构与性能的变化规律进行了研究。结果表明，随着炭化温度的升高，炭纤维的拉伸强度和模量均呈上升趋势，炭纤维的d 002呈现下降趋势，而L a 和L c 呈现上升趋势。对炭纤维的电磁参数测试结果表明，炭化温度对炭纤维的介电常数有明显的影响，但对磁导率影响不大，不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维的复介电常数实部随电磁场频率的降低而升高，其介电损耗也随着炭化温度的升高而呈现上升趋势。
关键词：炭纤维；炭化；结晶参数；电磁参数中图分类号:TQ3421742
收稿日期:2007205210
第一作者：男,1980年生，硕士生3通讯联系人
E 2mail :wdchi @163
炭纤维是比铝轻、比钢强、比人头发细、碳的质
量分数高于90%的纤维状碳材料。它不仅具有单质碳的各种优良性能，又具有纤维的可挠性，优良的力学性能等[1]。它是理想的结构和功能性复合材料的组元。在航空航天以及先进武器等重要的军事工业中，炭纤维以其优良的性能逐渐被广泛应用于结构型吸波材料，与雷达涂层相比，结构型吸波材料具有不增加飞机额外重量，结构可设计，兼顾吸波和承载双重功能等优点。美国的B 22、F 2117及F 222等隐形飞机都不同程度的使用了结构吸波材料。
炭化炭纤维的电阻率约为10-2Ω・cm ，是雷达波的强反射体，只有经过特殊处理的炭纤维才具有吸波性能。日本已研制出一种吸波型特种炭纤维，在10GHz 时ε′为8～12,ε″为3～5，用这种炭纤维与环氧树脂复合制备了厚度为3mm 的层压平板，在X 波段反射衰减达15dB [2]。因此对于炭纤维的特殊处理将成为改善炭纤维吸波性能的有效手段。本文对不同炭化温度处理的中间相沥青基炭纤维的力学性能、
电磁参数、晶体结构进行了研究，以期寻一种具有承载和吸波双重功能的炭纤维结构复合材料。
1 实验部分
111 原料
中间相沥青由日本三菱化学公司生产，软化点
温度为251℃，中间相含量100%。112 炭纤维的制备
采用氮压式单孔纺丝机进行熔融纺丝，纺丝温度300～380℃，纺丝压力1×10-4～011MPa ，收丝速度为100～500m/min 。将制得的炭纤维原丝放入氧化炉，在空气中进行预氧化处理，升温速度为2℃/min ，不熔化终温为280℃。将预氧丝放入炭化炉中在高纯氮气保护下进行炭化处理最终炭化温度分别为600、700、800、900、1000℃。113 样品测试11311 结晶参数
采用X 2射线衍射仪测定炭纤维的结晶参数。2500VB2+PC 型，理学株式会社(日本)。11312 力学性能
纤维电子强力仪,YG001A 型，常州咏春纺织机电有限公司。参照G JB1871—94测定炭纤维的拉伸强度和拉伸模量，取30根单丝统计平均值作为力学性能的测试结果。11313 电磁参数
用网络法测定不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维的电磁参数。该测试系统由HP8722ES 矢量网络分析仪以及相应的器件和软件组成，惠普公司(美国)。将中间相沥青基炭纤维与石蜡以1∶1的比例(质量比)均匀混合，放在外径为7mm ，内径为3mm ，长度为2mm 的圆环模具中，压制成型，用HP8722ES 矢量网络分析仪在交变电场的作用下测
定2～18GHz 频率范围内样品的网络参数(S 11、S 21)从而计算出材料的电磁参数。
2 结果与讨论
211 炭纤维的结晶性分析
从图1可以看出，随着炭化温度的增加，沥青炭纤维的002峰的吸收强度增加，半峰宽变窄，随着热处理温度的升高，炭纤维中的碳晶体的结构向着有序化发展。沥青基纤维在炭化过程脱除非碳原子，碳原子的含量逐渐增高，形成了具有SP 2
杂化轨道状态的碳原子组二维碳环平面网状结构，在这个过程中即伴随交联、环化、缩聚及芳构化等
一系列化学反应。随着反应温度的升高，这些反应程度加深，从而表现出XRD 图谱中的002峰的强度提高[3]。
a —600℃;
b —800℃;
c —900℃;
d —1000℃
图1 不同炭化温度沥青基炭纤维的XRD 图
Fig.1 XRD curves of AR pitch based carbon fibers prepared
at different carbonization temperatures
通过XRD 计算出的碳结晶参数列于表1中。
从表1也可以看出，随着炭化温度的升高，炭纤维的层片直径L a 和层片堆积高度L c 值升高，而层间距
d 002值随着热处理温度的升高而呈下降趋势。这也
说明了，热处理温度升高，碳晶体的晶胞尺寸长大，层间距变小，即晶体更趋于有序化[4]。
表1 不同炭化温度下沥青基炭纤维的结晶参数
T able 1 Structural parameters of AR pitch based carb on fibers
prepared at different carbonization tem peratures
T /℃
d 002/nm
L c /nm
L a /nm
6000.36908.334322.60457000.36538.879224.30468000.363315.309128.12689000.357617.432032.70251000
0.3528
18.8254
35.1199
212 炭化温度对炭纤维电磁参数的影响
对于非理想电介质吸波材料，介电常数(ε
)和磁导率(μ)均为复数，表达式如下:
ε=ε′-i ε″,μ=μ′-
i μ″
损耗角δ的正切可作为介电损耗和磁损耗的量度。
tan (δ
ε)表示介电损耗，是介电常数的的虚部与实部之比，即tan (δε)=ε″/ε′。tg (δ
μ)表示磁损耗，是磁导率的虚部与实部之比，即tan (δμ)=μ″/μ′。从介质对电磁波吸收的角度考虑，当电磁参量、样品厚
度、频率相匹配时，在ε′和μ′足够大的情况下,ε″和μ″越大，介电损耗正切值和磁损耗正切值越大，越有利于介质对电磁波的吸收。
图2中给出了不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维在2～18GHz 频率范围内的复介电常数曲线。从图2中可以看出,4种不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维的复介电常数实部随电磁场频率的降低而升高；并且随着炭化温度的升高，中间相沥青基炭纤维的复介电常数实部升高的程度越大。在炭化温度为1000℃时，在电磁场频率2～5GHz 范围内，复介电常数虚部随着频率的增加而增加。
a —600℃;
b —800℃;
c —900℃;
d —1000℃
图2 不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维复介
电常数的实部(ε′)和虚部(ε″
)图Fig.2 Real part ε′and imaginary part ε″of complex
permittivity of different carbon fibers
图3的不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维复
磁导率实部(μ′)图谱中，可以看到600、700℃两组
样品的实部随着频率的增加有一个下降的趋势，当达到一定频率时，其实部随着频率的增加而逐渐增
・
15・第1期 路忠跃等：炭化温度对中间相沥青基炭纤维性能的影响
加。900℃、1000℃两组样品随着频率的增加其实
部的数值基本上在1附近波动。从不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维复磁导率虚部μ″图中可以看到,4种样品的虚部数值几乎为0
。
图3 不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维
复磁导率实部(μ′)和虚部(μ″
)图Fig.3 Real part μ′and imaginary part μ″of complex
permeability of different carbon
fibers
图4 不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维
介电损耗tan (δ
ε)图Fig.4 Dielectric loss tan (δ
ε)of AR pitch based carbon fibers prepared at different carb onization tem peratures
图4中可以看到，样品a (600℃
)基本上没有介电损耗。样品b (700℃
)随着频率的增加其介电损耗基本上保持不变。样品c (800℃)、d (1000℃
)，随着频率的增加其介电损耗也增加。同时，从图4中
可以看到样品的介电损耗随着炭化温度的增加而增
加。由图5中可以看出，不同的炭化温度对4种样品的磁损耗影响不大，并且其磁损耗值都在一定范围内波动[6]
。
图5 不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维
磁损耗tan (δ
μ)图Fig.5 Magnetic loss tan (δ
μ)of AR pitch based carbon fibers prepared at different carb onization tem peratures
图6 不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维的
力学性能曲线
Fig.6 Mechanical properties of AR pitch based carbon
fibers with different carbonization tem peratures
213 炭化温度对炭纤维力学性能的影响
由图6可以看出，随着炭化温度的升高，沥青基炭纤维的拉伸强度和拉伸模量，都呈上升趋势。这是因为炭化温度影响是通过纤维的微结构和形态结
构两个方面来影响其力学性能的[7]。从上面对中
间相沥青纤维的结晶参数的分析可知，随着炭化温
・25・北京化工大学学报 2008年
度的升高，中间相沥青基炭纤维的d 002值和L c 值是呈减小的趋势。而L a 则呈增大的趋势，随着结晶参数的变化，中间相沥青基纤维的力学性能必然要发生相应的变化，而上面的结晶系数的变化都有利于提高其力学性能。另一方面中间相沥青基炭纤维在炭化过程中随着温度的升高，其晶胞不断变宽、变厚，同时也在纤维内部产生一些孔隙和裂纹。晶胞的增大不仅有利于提高纤维的模量，同时也有利于提高纤维的强度。纤维内部的孔隙、裂纹也同时影响到纤维的强度和模量。随热处理温度升高其晶胞增长速度加快，当晶胞的增大对强度和模量的提高程度高于孔隙、裂纹对强度和模量降低的程度时，纤维的强度和模量就会升高[8]。
3 结论
(1)随着炭化温度的升高，中间相沥青基炭纤维
的拉伸强度和模量均升高。
(2)层间距d 002随炭化温度的升高而下降，而L a 和L c 升高。
(3)不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维的复
介电常数实部随电磁场频率的降低而升高，炭化温
度为1000℃时，在电磁场频率2～5GHz 范围内，复介电常数虚部随着频率的增加而增加。中间相沥青
基炭纤维的介电损耗随着炭化温度的增加而增加。炭化温度对中间相沥青基炭纤维的磁损耗影响不大。参考文献:
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2004.
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[8] 迟伟东.高性能沥青基炭(石墨)纤维及C/C 复合材料
的研究[D ].北京：北京化工大学,1997.
The influence of carbonization temperatures on mesophase
pitch 2based carbon f ibers
L U Zhong Yue CHI WeiDong SHEN ZengMin L IU Hui YU JianMin
(College of Materials Science and Engineering ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China )
Abstract :The influence of varying the carbonization temperatures on the structure and properties of mesophase pitch 2based carbon fibers has been studied.It was found that with increasing carbonization temperature ,the ten 2sile strength and modulus of AR pitch carbon fibers increased whilst the interlayer spacing d 002decreased ,and
the values of crystallite size parallel (L a )and perpendicular (L c )to the carbon layers increased.Investigation of the electromagnetic parameters by vector network analysis (VNA )indicated that varying the carbonization tem 2peratures had a greater effect on the permittivity than on the permeability.Decreasing the frequency of the elec 2tromagnetic field increased the real part ε′of the complex permittivity of mesophase pitch based carbon fibers
prepared at different carbonization temperatures.The dielectric loss tan (δε)increased when the carbonization temperature increased.
K ey w ords :carbon fiber ;carbonization ;structural parameter ;electromagnetic parameter
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35・第1期 路忠跃等：炭化温度对中间相沥青基炭纤维性能的影响
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