山西煤化所建立評估碳纖維微觀結構的新方法
碳纖維（carbon fibers）是一種含碳量在95 %以上的高強度、高模量新型纖維材料。其質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且兼具導電、導熱、耐高溫、耐腐蝕等特性。碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維，這也使其廣泛應用于航空航天、土木工程、軍事、交通運輸、體育娛樂等領域。
近日，中國科學院山西煤炭化學研究所張壽春研究員團隊在碳纖維微觀結構研究領域取得進展，以《Assessing the radial microstructural heterogeneity of polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers using nanoindentation》（利用納米壓痕技術評估聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的徑向微觀結構異質性）為題發表在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上。該論文創新性地提出了一種基于納米壓痕技術表征碳纖維徑向結構異質性和石墨微晶取向性的新方法，為碳纖維微觀結構研究提供了一種制樣簡單、可靠高效的新技術途徑。
找到更簡易的表征手段
就像撥開電纜芯一樣，從里到外，從中心向邊緣，材料的微觀性能未必都能均勻保持一致，這就是徑向異質性（Radial Heterogeneity），也叫做皮芯結構。
碳纖維是一種典型的結構異質性物質，對碳纖維徑向異質性的微觀結構解析和精準調控，對于突破下一代高強度高模量碳纖維技術瓶頸具有重要意義。人們對這種結構認識較少。
隨著先進微區表征技術的進步，碳纖維的徑向異質性結構特征才逐漸被揭示，如選取電子衍射（SEAD）、微束X射線衍射（microbeam-XRD）等等。然而，此類高分辨分析技術的樣品準備難度極高，樣品需要保證嚴格的尺寸精度和表面平整度，其復雜的預處理流程顯著增加了實驗難度。
此外，關于碳纖維微觀力學性能徑向分布的報道也很少。另辟蹊徑，找到一種簡單的表征技術非常有必要。
填補檢測手段的空缺
納米壓痕檢測技術（Nanoindentation），猶如一位微觀世界的“地質學家”，用納米探針輕叩材料表面，從細微的凹痕波紋中破譯出深藏于原子間的硬度和韌性的密碼。
碳纖維納米壓痕測試示意圖及微觀力學性能徑向分布
納米壓痕技術是現代微觀力學表征的關鍵手段，在碳纖維及其復合材料領域已得到廣泛應用，例如碳纖維復合材料界面性能研究、碳纖維彈性常數測定等等。其具有納米級位移控制精度的核心優勢。研究團隊采用納米壓痕技術系統性地評估了幾種商品化PAN基碳纖維分別在軸向和橫向上微觀力學性能（彈性模量和硬度）的徑向分布。結果表明強度等級較低的T300和T700S級碳纖維表現出嚴重的徑向微觀力學性能異質性。相比之下，T800H、T800S以及T1000G級碳纖維展現出優異的徑向微觀力學均勻性。碳纖維軸向微觀力學性能與橫向微觀力學性能之比R可以在一定程度上反映石墨微晶的取向性，R越大，石墨微晶取向性越好。從而推斷出單纖維內不同區域的取向度由高到低依次為：過渡層、皮層、芯層。
碳纖維石墨微晶取向分布及受壓縮時變形機制
納米壓痕技術在評估碳纖維徑向異質性結構方面展現出制樣簡單、結果可靠和檢測效率高的顯著優勢。
本研究創新性地提出了一種基于納米壓痕技術表征碳纖維微觀結構的新方法，彌補了碳纖維微觀力學性能徑向分布研究的空缺。
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