碳纖維是一種導(dǎo)電材料，雖然其導(dǎo)電性要低于傳統(tǒng)的金屬材料，但是作為非金屬導(dǎo)體其導(dǎo)電性還是備受青睞，尤其近年來碳纖維加熱管、碳纖維地暖等產(chǎn)品逐漸普及，使碳纖維成為廣為關(guān)注的電熱材料。本文詳細(xì)分析了碳纖維導(dǎo)電原理、導(dǎo)電影響因素及電阻率測試方法。

碳纖維是由微晶結(jié)構(gòu)組成，石墨單晶中碳原子的結(jié)構(gòu)排列如圖1所示，每個碳原子由強的共價鍵（σ鍵）與其他相鄰的三個碳原子結(jié)合；同時，石墨微晶存在層狀結(jié)構(gòu)，層與層間依靠范德華力連接，屬于次價鍵力，因此在平行基面方向具有良好的機械性能及導(dǎo)電性，而在層間方面強度較低。

圖1 石墨單晶結(jié)構(gòu)示意圖

作為一種含碳量在95%以上的碳石墨材料，碳纖維的導(dǎo)電原理也與石墨導(dǎo)電相類似，纖維內(nèi)部所有C原子參與形成大π鍵，從而形成連續(xù)能帶，每個C可剩余1個能夠自由移動電子，沿著連續(xù)能帶實現(xiàn)導(dǎo)電，但是由于碳纖維具有獨特的亂層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碳纖維層內(nèi)方向（纖維軸向）導(dǎo)電性顯著優(yōu)于層間（纖維縱向）導(dǎo)電性。

碳纖維之所以能夠?qū)щ姡c其內(nèi)部的石墨微晶結(jié)構(gòu)休戚相關(guān)，因此影響碳纖維導(dǎo)電性強弱的關(guān)鍵因素在于其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

一般而言，碳纖維石墨化程度越高，石墨微晶結(jié)構(gòu)越完善，碳纖維的導(dǎo)電性越好。對于T300、T800等級別高強中模碳纖維，纖維內(nèi)部具有典型的二維亂層石墨結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由于石墨層內(nèi)存在缺陷結(jié)構(gòu)，致使其導(dǎo)電性較差。

圖2 高強中模碳纖維內(nèi)部典型亂層石墨結(jié)構(gòu)

經(jīng)過石墨化處理后，纖維內(nèi)部二維亂層石墨結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿S石墨微晶結(jié)構(gòu)，而且石墨化程度越高，石墨微晶越接近于理想石墨單晶結(jié)構(gòu)。對于石墨化程度而言，最為客觀反映程度高低的就是碳纖維拉伸模量，因為石墨化程度越高，碳纖維拉伸模量往往也就越高。

PAN基碳纖維拉伸模量與電阻率之間定量關(guān)系曲線如圖3所示，隨著碳纖維拉伸模量增加，纖維電阻率逐漸下降。通過提高熱處理溫度，可以制備高拉伸模量碳纖維，而在熱處理過程中石墨片層會逐漸生長，石墨微晶層間距逐漸下降、取向提高，為π電子導(dǎo)電提供了良好的空間，因此纖維導(dǎo)電性顯著提高。

圖3 PAN基碳纖維拉伸模量與電阻率之間關(guān)系

為了便捷快速測試碳纖維導(dǎo)電性能，中科院寧波材料所特纖事業(yè)部科研人員在多年碳纖維研發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種碳纖維電阻率測試裝置，如圖4所示，利用該裝置對碳纖維電阻率測試時，通過讀取電壓、電流表數(shù)值，并按照特定公式計算，可以快速實現(xiàn)碳纖維電阻率檢測。

圖4 碳纖維電阻率測試裝置

測試具體流程如下：從繞絲架上剪取一定長度的碳纖維樣品，在施加張力情況下將其固定在底板上，依照刻度線調(diào)整兩個電極調(diào)節(jié)塊至特定距離，隨后，使電極接觸到待測碳纖維樣品，調(diào)整電源，實現(xiàn)通過待測樣品的電流值穩(wěn)定在一數(shù)值，然后讀取此時的電壓值，最后按照電阻率公式計算得到電阻率。

為了驗證裝置及測試數(shù)據(jù)的可靠性，利用該裝置對寧波材料所自行研發(fā)的國產(chǎn)M50J、M55J級高強高模碳纖維電阻率進行了測試，測試結(jié)果顯示兩種樣品電阻率分別為0.94×10^-3Ω•cm、0.86×10^-3Ω•cm，與日本東麗相同型號產(chǎn)品電阻率的標(biāo)稱數(shù)據(jù)相近。