分析PAN基碳纤维在表面处理中的拉曼光谱研究

摘要：我国的碳纤维研究虽然已经取得了长足的进步，但是与世界先进国家相比较的话还存在着很大的差距，因此要加大对碳纤维的研究力度，以改变目前我国碳纤维的现状，满足我国碳纤维市场的需要。本文先是对实验部分进行了概述，又详细分析介绍了测定的结果，并进行了相应的讨论，以求能够提高碳纤维的性能，推动我国碳纤维的发展与进步。

关键词：PAN基碳纤维；表面处理；拉曼光谱；研究

中图分类号：TQ342+.74 文献标识码：A 文章编号：

近几年，由于国民经济的快速发展，碳纤维也获得了长足的发展和进步，属于一种较为优质的增强材料，具有良好的强度、模量以及耐腐蚀性能，碳纤维已经被广泛的应用于我国多个领域之中。激光拉曼光谱是在1970年应用于我国的碳纤维研究之中的，能够在一定程度上看出碳纤维材料的某些结构上发生的变化。

实验部分

准备原材料和样品

此次试验的原材料是T300的碳纤维，并将高温除胶之后的T300碳纤维作为此次试验的原始样品以备用，一部分的碳纤维样品放在浓HNO3液里，进行氧化处理，另外一部分的碳纤维进行瞬间高温的表面处理，其具体处理方法如下：

浓HNO3液氧化处理：HNO3液的浓度是65%，温度需要控制在90℃，氧化处理需要的时间是12个小时；

瞬间高温处理：对碳纤维样品进行通电的操作，并且通电中的电压和电流都是可以进行调节的，处理的时间不固定，需要根据实际试验中的情形而定。

性能测试

此次试验所用的仪器设备是型号为LabRam-1B的显微激光拉曼光谱仪，以对待测样品中的拉曼光谱进行测定。待测样品纤维的表面需要清洗干净，然后将清洗干净的样品纤维固定在样品台上，通过功率是4.3mW的He-Ne激光器对其进行扫描，He-Ne激光器的波长设置为632.8nm，并将分辨率设置为1cm-1.扫描的时间应该持续50s左右。He-Ne激光器产生的激光束会照射在样品纤维中的某根单丝上，并在区间为900—1800cm-1的范围内记录成拉曼位移谱线，且每个样品都要在不同的位置取20个点用于测试，取这些数值的平均值，通过Origin对所得的数据平均值进行分析，从而保证分析结果的准确性和精确性。

通过型号为RigakuD/max-C的X射线对样品纤维中的结晶度和晶格参数进行测定，电压控制在40kv，电流控制在50mA，样品纤维的扫描角度2控制在100—500的范围内。

测定的结果并进行讨论

碳纤维表面处理前后的拉曼光谱

型号为T300的碳纤维的表面被处理之后，它的拉曼光谱如图一所示：

图一 型号为T300的碳纤维表面处理之后拉曼光谱示意图

（a）硝酸处理碳纤维 （b）即时高温处理碳纤维

从图一中，我们可以看出碳纤维的样品中存在着两个拉曼光谱谱线D线与G线，即使是不同的处理方式也一样，且表面处理后的碳纤维的拉曼谱线具有较为明显的变化。D线的谱线范围在1330—1340cm-1之间，G线的谱线范围在1590—1600cm-1之间。在1620cm-1、1150—1200cm-1、1500—1550cm-1处，还出现了谱线的肩峰状态。在原始样品的碳纤维中，不管是D线还是G线都具有较宽的半高宽，且存在着较为严重的谱线交叠情况；而经过表面处理之后的碳纤维中，两谱线都出现了一定程度的分开，且两线的半高宽都变小了，拉曼峰位也向着高波数的方向发生轻微的偏移。

拉曼光谱参数的变化和碳纤维结构之间的关联性

在原始样品的碳纤维的拉曼光谱线之中，两线出现了严重的交叠现象，要对其采取分峰拟合的处理方式进行处理，如果是使用传统的分析方法来对碳材料拉曼光谱进行分析，只是对D线和G线进行拟合，而忽略拉曼光谱线中存在的肩峰，这样也就无法对碳纤维进行深入的分析和探讨。对不同表面处理的碳纤维的拉曼光谱线进行拟合处理的结果如图二所示：

图二不同表面处理的碳纤维的拉曼光谱线进行拟合处理的结果

图三各样品碳纤维进行拟合处理后的光谱参数

图四各样品碳纤维进行拟合处理后的光谱参数

从图二中我们可以看出，原始样品的碳纤维在经过不同方式的表面处理之后，拉曼光谱参数也发生了变化。从图三和图四中我们可以看出碳纤维达到碳化的温度为1500℃左右，其中喊掺杂着少部分的氮和氧等元素的原子，结构的排列顺序较为错乱。将图三中中的各拉曼光谱参数进行对比，可以知道：D线的波数是1338.74cm-1，半高宽是210.27；G线的波数是1593.73cm-1，半高宽是92.64，此时D线和G线的积分强度都是3.54。从图四中我们可以看出，A线和G线之间的积分强度比IA/IG是0.57，经过不同方式的表面处理之后，D线和G线两谱线的峰位都向着高波数发生移动，增加了R的数值，但是I`D/IG的比值却有所下降，这就说明碳纤维样品的表面受到了不同程度的氧化；经过处理后样品的积分强度比IA/IG、I``D/IG都发生了不同程度的下降，这就说明和无定形碳和四面体交联相关联的碳结构的数量有所减少。

通过拉曼谱线的拟合参数发生的变化可以知道，样品碳纤维在经过硝酸表面处理和瞬时高温处理之后，碳纤维表层的结构会发生变化，无定型碳结构的数量会变少，但是乱层石墨微晶结构却向着更加稳定的方向发展，而无定型碳结构相对而言会更容易被腐蚀从而发生降解。

结语：

综上所述，碳纤维在我国的应用范围较为广泛，但是碳纤维的推广上受到价格的限制，推广的难度不小。因此，我国加大了对碳纤维的研究力度，以求能够改善目前我国碳纤维应用的现状，从而推动我国碳纤维工业的发展，以促进国民经济的增长。原始样品中的碳纤维表面在经过不同方式的处理之后，碳纤维的拉曼光谱的D线和G线发生了变化，这两个谱线的峰位会向着高波数发生位移，从而使得R值变大，增加了碳纤维结构的无序程度，增加了晶粒边界的活性度，但是碳纤维的肩峰面积比和积分强度比等都有所下降，这就说明碳纤维的结构更加混乱了，化学稳定性也随之下降，对碳纤维的表面具有很强的腐蚀氧化性。

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