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高性能碳纤维具有轻质高强、超高模量及低热膨胀系数等优点,是航天航空领域的关键材料,在国防经济建设中有着广泛用途。本文采用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)及原子力显微镜(AFM)分别对三种高强系列碳纤维、三种高模系列石墨纤维的形貌、晶体结构、皮芯结构和相对硬度等微观结构进行了综合研究。提出了一种用于拉曼光谱和透射电镜测试的碳纤维截面(剖面)样品的制备方法,并着重利用拉曼光谱对日本东丽T800S及两种国产T800级碳纤维的径向、轴向及赤道方向均质化程度进行了表征分析,同时,结合TEM对三者的皮芯结构进行了研究,以期为我国高性能碳纤维的生产提供一定理论参考。SEM结果表明:东丽T800S的表面光滑,两种国产T800级碳纤维表面存在沿轴向取向性较好的沟槽,三者截面呈近圆形,其中东丽T800S截面圆度最高。三种高模系列石墨纤维表面沟槽比高强系列碳纤维深,且截面圆度比高强系列低,表面光滑度和圆度从大到小的顺序均为P311F>CCM46J>CCM40J,说明P311F石墨纤维的表面结构最致密,推测其石墨化温度最高。Raman光谱和TEM结果均表明,三种T800级碳纤维都存在一定的皮芯结构,JHT55的芯部直径约为1.60~1.78μm,而T800S和P278F的芯部直径均为1.13~1.60μm。此外,三种高强系列碳纤维皮层在赤道方向的也有一定的不均匀性,但东丽T800S整体的均一化程度远远优于两种国产碳纤维。三种高模系列石墨纤维的石墨化程度较高,从CCM40J到P311F,晶格条纹排列规整度增大,说明P311F石墨纤维接近理想石墨结构,拉伸模量较高。高强系列碳纤维中东丽T800S的微晶尺寸最大,且内部孔隙率低,这是其保持高强度的同时保持较高模量的重要原因。三种高模系列石墨纤维中,P311F石墨纤维的晶面间距d002最小,且三者的孔隙率从CCM40J、CCM46J到P311F依次降低。高强系列、高模系列碳纤维的硬度关系分别为:T800S>P278F>JHT55,P311F>CCM46J>CCM40J,与拉伸模量大小关系一致,表明用AFM表征碳纤维的硬度可在一定程度上反映其拉伸模量大小。碳纤维的宏观力学性能是由其微观结构综合决定的,表面光洁、细旦化、提高均质化程度、保留一定的非晶结构,有利于提高碳纤维强度;增大微晶尺寸、提高石墨层沿纤维轴的取向度、降低孔隙率,有利于提高石墨纤维的模量。