拉曼光谱研究碳纤维的微观结构及CNT/环氧树脂体系中缺陷周围的应力分布

摘要

拉曼光谱在材料的微尺度表征上有着重要作用，尤其适用于分析碳纤维及其前驱体的精细结构。碳纤维在制备过程中的结构变化可以通过拉曼光谱的变化得到反映，也可以通过对碳纤维的典型特征峰的研究获得碳纤维整个表面的结构信息。在以碳纳米管(CNT)作为拉曼力学传感器时，拉曼光谱同时还可以用于表征材料微区域内的受力情况，对于因缺陷引起的应力分布不均情况也能得到非常全面的信息。
　　本论文的主要内容及结论如下:
　　(1)使用拉曼光谱研究了粘胶基碳纤维制备过程中的结构演变;发现碳纤维制备过程中拉曼谱图的变化非常显著:在100℃热处理后，原丝的拉曼光谱强度因纤维脱除了物理键合水而明显下降。150℃热处理后，原有的拉曼特征峰全部消失，原因是这一阶段发生了分子结构内脱水、CO2和C2H5OH的脱除，纤维素纤维大分子开始迅速降解。在200℃之后，中间产物出现了碳纤维拉曼峰的雏形，说明在这一阶段纤维降解生成了四碳残键。在200-1300℃之间，缺陷拉曼峰的相对含量先上升后下降，原因是降解先产生四碳残键，随后发生芳构化直至形成碳纤维的石墨层片结构。初步建立了拉曼谱图与纤维结构变化的关系图，为优化制备工艺提供了有价值的信息。
　　(2)建立了一种研究纤维整个外表面结构特征的拉曼方法;使用自制的旋转装置将两种碳纤维旋转360°，旋转的同时进行拉曼扫描，获得了碳纤维整个圆柱面上的拉曼光谱。使用代表缺陷的拉曼参数(包括II/IG，ID/IG，IA/IG和IDi/IG)对碳纤维沿轴向上和整个表面的结构不均匀性进行了定性和定量的分析。结果表明两种纤维都有明显的结构异质性，且缺陷沿轴向分布。碳纤维表面结构的全面剖析为进一步提高碳纤维性能提供了参考。
　　(3)探索了含有V形缺陷的CNT/环氧树脂缺陷周围的微观形变行为。论文首先建立了CNT拉曼频移与材料所受应力的关系;并以CNT作为拉曼应变传感器对缺陷周边微区进行了拉曼扫描，重点探讨了缺陷分布位置（内/外）、缺陷角度(60°、120°)、外部应力(0％、0.5％、1％)等因素对缺陷周围应力分布的影响。结果表明:外部缺陷比内部缺陷对外来的应力响应更大，且缺陷的角度越小，对外来的应力响应越大。
　　(4)建立了一定偏振角度下CNT频移与物体受力的定量关系，通过偏振拉曼光谱确定了缺陷周围微区域内应力分量（σX、σY及τXY）的分布情况。
　　拉曼技术有效地获得了复合材料受力后微区内的实际应力分布情况，这些信息的获得将帮助材料的设计，并能对材料使用过程中的安全性进行预判。拉曼光谱技术将在材料的微观形变力学的研究中得到更有效的应用。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 拉曼光谱及其主要应用

1．1．1 普通拉曼光谱

1．1．2 偏振拉曼光谱

1．2 Raman光谱对CF及其复合材料的表征

1．2．1 拉曼光谱对CF的表征

1．2．2 拉曼光谱对CF复合材料的表征

1．3 CNT作为力学传感器对CF复合材料内部受力分布的拉曼表征

1．3．1 CNT及其聚集体受力情况下的拉曼光谱

1．3．2 CNT作为拉曼力学传感器对微区应力的研究

1．3．3 功能化对CNT应力传感的影响

1．3．4 碳纳米管的偏振作为力学传感器对微区应力的研究

1．4 本论文的主要内容

第二章 拉曼光谱研究碳纤维制备过程中的结构演变

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 样品制备及取样

2．2．2 拉曼测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 原丝热处理过程中的颜色变化

2．3．2 粘胶纤维原丝的拉曼光谱

2．3．3 粘胶纤维结构的降解

2．3．4 碳材料结构的出现

2．4 小结

第三章 拉曼光谱研究碳纤维表面结构的异质性

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 PAN基碳纤维结构异质性沿轴向的分布

3．3．2 碳纤维的结构异质性在外表面上的分布

3．3．3 粘胶基碳结构异质性沿纤维轴向上的分布

3．3．4 粘胶基碳纤维结构异质性在外表面上的分布

3．4 本章小结

第四章 拉曼光谱研究复合材料缺陷周围应力分布情况

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验样品

4．2．2 拉伸装置

4．2．3 拉曼光谱及偏振拉曼光谱

4．3 结果与讨论

4．3．1 CNT／环氧树脂的应力-拉曼频移关系

4．3．2 外部应力对缺陷周围应力分布的影响

4．3．3 缺陷角度对应力分布的影响

4．3．4 缺陷位置对应力分布的影响

4．3．5 拉曼偏振研究应力分量

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致谢