转载：全谱拟合法研究碳纤维的晶态结构

上一篇 / 下一篇 2011-03-28 19:21:11

PAN基碳纤维的 晶态结构研究一直被认为是个已经解决了的问题，主要数据包括结晶度、石墨化度、晶胞参数、晶粒尺寸等，这些数据都是从多晶XRD谱图得来。然而多晶XRD 技术里面有很多学问，很多实验技术是碳纤维研制人员所不了解以至于忽视的，造成结果偏差。比如，现在研制部门往往把样品交给专门的XRD测试部门去分析，可是一般操作人员不会对衍射仪经常进行仪器校准，这样数据是在不确知仪器状态的情况下得到的，而晶态分析要求对仪器的角度宽化、准直等有十分把握，所以我们拿到的数据不一定可靠。再如，做晶态分析需要长时间扫描以保证足够的信噪比，而一般的定性物相解析只需要很短扫描时间，测试部门如果按照样品收费，那么就不可能给特殊的样品进行长时间扫描，而强度数据不准确是晶态分析的重要误差来源。除此之外，拟合方法是首要考虑的问题，我们以前依靠的方法多是经验公式或极度简化的情况。

　　1967年Rietveld提出了处理XRD数据的有效手段—Rietveld全谱拟合，全谱拟合是在标准的晶体结构模型与结构参数的基础上，结合某种峰形函数计算衍射谱，使得计算谱与实验谱相符合。全谱拟合用衍射谱中各2θ处的实测衍射强度代替积分衍射强度，使得所处理的数据量大大增加，保证了数据处理的精确度。目前使用全谱拟合法进行XRD物相定量计算的软件主要是Maud5，这个软件功能十分强大，可以得到物相组成含量、织构信息、晶格畸变信息、晶胞参数、晶粒尺寸等。但该软件较为复杂，掌握起来有些费劲，因此国内精通全谱拟合和Maud软件的专家不多。

　　我们率先利用全谱拟合法和Maud5软件进行碳纤维的晶体结构研究，处理了不同阶段纤维的XRD 谱图，克服了以前采取单个衍射峰计算结构参数的缺陷，得到不同阶段纤维的晶体结构参数，研究碳纤维制备过程中晶体结构的演变。下面是拟合结果图。研究得出，碳纤维内部为广延的乱层结构的堆叠，只在很小的范围内有序，不存在石墨微晶，重新认识了碳纤维的微观结构，对于前人所提出的各种结构模型如条带模型、微晶模型，需要进一步认识和考证。我们的文章发表在《物理学报》2011年第三期，见如下附件：
全谱拟合法研究聚丙烯腈基碳纤维形成过程中晶态结构演变.pdf

　　炭纤维在制备过程中受到力的牵伸作用，炭的层状结构沿纤维轴取向，下图为炭纤维中类石墨晶体在 (002) 和 (100) 面的织构图。从图中可以看出，炭纤维中的织构呈现轴对称，(002) 面的织构强度弱，而 (100) 面的织构强度高。这是因为炭纤维中的层状结构沿纤维轴方向取向，但是在垂直于纤维轴的方向，层面的堆垛只在小尺寸范围内有序，层面存在交错扭曲等现象。(100) 面呈现较强的织构，但是在有序的织构中存在一定的紊乱的状态，表明炭纤维中存在无序的炭结构，而且层状结构未能完全沿纤维轴取向。