2021年第8期广东化工第48卷总第442期www.gdchem
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刘文，易茂中，杨丰豪
(中南大学粉末冶金研究院，湖南长沙410006)
奥尼音箱Effect of the Thickness of PyC Coating on the Tensile Properties of T1000Carbon
Fiber Multifilaments
Liu Wen,Yi Maozhong,Yang Fenghao
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410006,China)
Abstract:In this study,PyC coated carbon fibers of two kind of thickness were prepared by different CVD processing time.The effect of PyC coating thickness on morphologies,structural components,fine structure and tensile properties of fibers were investigated.The results show that the roughness of the fiber surface,the order of C and graphitization degree increase while the content of amorphous carbon decrease as PyC coating thickness increases.Besides,compared with uncoated carbon fibers,the tensile strength of PyC coated carbon fibers decrease.And the strength retention of PyC coating whose thickness is 1.99μm is 76.0%.
Keywords:carbon fiber ；CVD ；PyC ；coating thickness ；tensile properties
炭纤维由于高比强、低密度等优点，广泛应用于炭/炭[1]、碳/陶[2]等先进炭纤维增强复合材料。由于炭纤维增强复合材料的力学性能主要取决于炭纤维和基体的界面结合[3-4]，故弱结合界面以及非脆性相界面对于炭纤维增强复合材料的性能起着非常重要的作用。理想的纤维-
基体界面，其强度既能有效转移基体和炭纤维之间的载荷，又能允许界面脱黏和裂纹的偏转以及桥联，可以通过对界面组织结构及涂层厚度的调控来得到满足这种要求的界面[5]
。热解碳(PyC)由于与炭纤维具有相似的化学组成和石墨结构，广泛作为炭纤维和基体之间的涂层相界面。本实验在T1000高强炭纤维表面利用化学气相沉积法(CVD)制备了不同时长处理得到
的两种不同厚度的热解碳(PyC)涂层炭纤维，研究了PyC 涂层厚度对涂层炭纤维的力学性能的影响。
1实验
1.1炭纤维的预处理和表面涂层制备
本实验采用日本东丽株式社会生产的T1000-12K 炭纤维为原料，其表面及横截面形貌如图1所示，其部分物理性质如表1所示。为避免炭纤维出厂的表面上浆剂对实验结果产生影响，本实验利用索氏抽提法对T1000炭纤维进行脱浆处理，将脱浆处理后的炭纤维在
1800℃真空下热处理2h 。以丙烯为碳源，将上述炭纤维采用CVD 法分别沉积7和8小时。将未经热处理和利用CVD 热处理7、8小时的样品分别记为C-0、C-1和C-2。
图1T1000炭纤维表面及横截面形貌
Fig.1
Surface and cross section morphologies of T1000carbon fibers 表1T1000炭纤维的物理性质
Tab.1Physical Properties of T1000carbon fibers
[收稿日期]2021-03-06
西安车辆厂[基金项目]国家基础研究项目(ZB414220201)
[作者简介]
废液焚烧炉刘文(1996-)，女，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向为炭炭复合材料。
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www.gdchem 第48卷总第442期
1.2炭纤维表面涂层的表征测试
利用美国FEI 公司的Helios Nanolab G3UC 型场发射扫描电镜观察涂层炭纤维的表面及横截面形貌；采用德国Bruker D8X 射线衍射分析仪和法国Jobin Yvon 公司制造的Lab Raw Aramis 型显微激光拉曼光谱仪，对涂层炭纤维的表面微观结构进行表征。本文根据标准GB/T 3362-2017《炭纤维复丝拉伸性能实验方法》，样品浸胶后，用牛皮纸作为加强片粘接在试样两端，采用丝束拉伸方法在美国Instron 型万能力学拉伸试验机上对未涂层炭纤维和不同厚度PyC 涂层炭纤维的力学性能进行测试，拉伸速率为10mm/min ，计算丝束的拉伸强度。
2结果分析
2.1CVD PyC
厚度对涂层炭纤维形貌的影响
图2SHENKON
不同CVD 处理时长PyC 涂层炭纤维表面及横截面形貌：
(a)和(b)7h ，(c)和(d)8h
Fig.2Surface and cross section morphologies of PyC coated carbon
fibers with different CVD processing time:
练习模式(a)and (b)7h,(c)and (d)8h 图2中(a)和(b)是CVD 处理7h 后的PyC 涂层炭纤维表面及横截面形貌，(c)和(d)是CVD 处理8h 后的PyC 涂层炭纤维表面及横截面形貌。与图1中未涂层的炭纤维相比，CVD PyC 涂层后的表面更加粗糙，且CVD 处理8h 后的涂层纤维表面形貌比CVD
处理7h 后的更粗糙，炭纤维表面的PyC 纳米粒子能提供更多的接触位点，有利于增强炭纤维和基体界面结合。CVD 处理7、8小时后的PyC 涂层厚度分别为1.99μm 和2.68μm ，涂层为层状，均匀致密且与炭纤维结合良好。这说明，随着CVD 反应时间延长，PyC 涂层厚度增加。
2.2CVD PyC 厚度对涂层炭纤维结构成分的影响
图3为T1000炭纤维上未涂层炭纤维和不同厚度PyC 涂层炭纤维的XRD 图。图中25°和43°左右的峰分别对应于C 的(002)和(100)峰，与未涂层的炭纤维相比，PyC 涂层炭纤维的特征峰峰形更加尖锐，峰宽更窄，且相对强度更大。这说明，PyC 涂层中的C 排列更加有序，其结构更接近理想石墨结构。表2所示为未涂层和不同厚度PyC 涂层炭纤维的结构参数。未涂层和不同厚度PyC 涂层的炭纤维的d (00
2)分别为0.3487nm 、0.3468nm 、0.3478nm ，其FWHM 分别为4.595°、3.661°、2.825°。PyC 涂层炭纤维的d (002)和FWHM 均小于未涂层炭纤维，说明PyC 涂层炭纤维层间距更小且其C 有序度更高。未涂层和不同厚度PyC 涂层的炭纤维的L c 分别为1.811nm 、2.274nm 、2.945nm ，其石墨化度分别为-54.65%、-32.56%、-44.19%。PyC 涂层炭纤维的L c 和g 均大于未涂层炭纤维，表面的PyC 晶粒更大,
且石墨化度更高。
图3未涂层炭纤维和不同厚度PyC 涂层炭纤维的XRD 图
Fig.3XRD pattern of uncoated carbon fibers and PyC coated
carbon fibers with different thickness
表2未涂层和不同厚度PyC 涂层的炭纤维结构参数
Tab.2Structural parameters of uncoated and PyC coating with different thickness
图4所示为未涂层炭纤维和不同厚度PyC 涂层炭纤维的拉曼光谱。位于~1350cm -1的D 峰(Defect)和~1580cm -1的G 峰(Graphite)为碳材料的特征峰。PyC 涂层炭纤维拉曼光谱的G 峰峰宽比未涂层炭纤
维窄，说明其类石墨结构结晶度和石墨化度更高。图5为(a)未涂层炭纤维及(b)(c)不同厚度PyC 涂层炭纤维拉曼拟合结果曲线。G 峰对应于含sp 2碳的C-C 键的E 2g 伸缩振动模式，G 峰的强度越大，半高宽越小，则其类石墨结构的结晶度越高[6]。D1峰对应材料中低对称结构和晶格结构缺陷激发的碳六元环A 1g 伸缩振动模式。D3峰对应于有序组织间的无定形碳，D4峰与杂质以及类烯烃结构中C-C 或C=C 键的伸缩振动有关[7]。与未涂层炭纤维相比，PyC 涂层炭纤维G 峰强度更大，D3和D4峰强更小。这说明PyC 涂层中缺陷更少，碳源组织间有序度更高。积分强度比(R=I D1/I G )可用来表示炭材料石墨结构无定形碳的含量，C-0、C-1、C-2的R 分别为2.88、2.48和1.29。这说明，与未涂层炭纤维相比，PyC 涂层炭纤维表面无定形碳含量更少，石墨化度更高。
800
1200
1600
2000
I n t e n s i t y /a .u .
Raman shift /cm
-1
C-0
C-1
C-2
D G
图4未涂层炭纤维和不同厚度PyC 涂层炭纤维的
炭纤维拉曼光谱
Fig.4Raman spectrum of uncoated carbon fibers and PyC coated
carbon fibers with different PyC thickness
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图5拉曼拟合结果曲线：(a)未涂层炭纤维，(b)和(c)不同厚度PyC 涂层炭纤维
Fig.5Raman fitting curves of (a)uncoated carbon fibers,(b)and (c)PyC coated carbon fibers with different PyC thickness
2.3CVD PyC 厚度对涂层炭纤维力学性能的影响
由于单丝拉伸试验得到的数据结果离散性大，得到的结果不能真实反应材料的力学性能，为了评估PyC 涂层厚度对涂层炭纤维力学性能的影响，对未涂层炭纤维和不同厚度PyC 涂层炭纤维进行复丝力学拉伸试验。根据GB/T 3362-2017标准，
σt =P/A t (1)在上式中，σt 为拉伸强度(MPa)，P 为破坏载荷(N)，A t 为炭纤维复丝面积(mm 2)。散血莲
其中，A t =t /ρt (2)
t 为复丝的线密度(g/m)，ρt 为复丝的密度(g/cm 3
)。
S t r e n t h /G P a
Strain
图6不同厚度PyC 涂层炭纤维丝束拉伸应力-应变曲线Fig.6Strength-strain curve of PyC coated carbon fibers with
different thickness 表3未涂层炭纤维和PyC 涂层炭纤维丝束的拉伸性能Tab.3Tensile performances of uncoated carbon fibers and
PyC coated carbon fibers
图6为不同厚度PyC 涂层炭纤维丝束拉伸应力-应变曲线，表3为未涂层炭纤维和PyC 涂层炭纤维丝束
的拉伸性能。C-0、C-1
和C-2的断裂力分别为0.98kN 、0.74kN 和0.59kN ，其拉伸强度分别为3.63GPa 、2.76GPa 和2.18GPa 。与未涂层炭纤维相比，PyC 涂层炭纤维的拉伸强度降低，且CVD 8h 后得到的PyC 涂层炭纤维的应力低于CVD 7h 后的PyC 涂层炭纤维。这是因为涂层对拉伸应力敏感，随着涂层厚度增加，纤维变脆，而且PyC 涂层和炭纤维间模量和热膨胀系数不匹配，随涂层厚度增加，残余应力逐渐增加，冷却至室温时，热膨胀系数不同导致应力集中，易产生裂纹。
3结论
(1)在炭纤维表面CVD 处理7、8小时后，分别得到1.99μm 和2.68μm 两种厚度的PyC 涂层。且与其他样品相比，CVD 处理8小时后，PyC 涂层炭纤维表面更加粗糙，PyC 晶粒更大，有利于增加炭纤维和基体的表面结合。
(2)与未涂层炭纤维相比，PyC 涂层炭纤维表面无定形炭含量更少，石墨化度更高，表面C 有序度更高，但其力学拉伸性能下降，CVD 处理7小时后，涂层厚度为1.99μm 的PyC 涂层炭纤维强度保有率为76.0%。
参考文献
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(本文文献格式：刘文，易茂中，杨丰豪．PyC 涂层厚度对T1000炭纤维拉伸性能的影响[J]．广东化工，2021，48(8)：1-3)
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