1、 背景介紹

掃描電子顯微鏡 （SEM） 是有別于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡的一種微觀觀察儀器，它可以將樣品表面形貌進行微觀成像，具有成像細致清晰、分辨率高、放大倍數高、可直接探測表面成分等優點。

碳纖維優良的性能取決于其本身的形態結構，而碳纖維的結構則又主要遺傳于其前驅體——原絲。原絲的結構優異成為制備高性能碳纖維的關鍵。本文簡要介紹了SEM在PAN 原絲及碳纖維缺陷結構、碳纖維表面溝槽及截面形貌等形態結構表征中的應用。

圖 1 為 PAN 原絲的表面及內部結構中主要存在的幾種缺陷的 SEM 照片。原絲的表面沉積物（圖 1a） 產生的原因在于凝固浴中存在溶膠塊，紡絲過程中凝膠塊黏附于纖維表面從而產生表面沉積物。原絲表面孔洞 （圖 1b） 則可能是由傳動輥表面的污染物所致。

▲圖1 PAN原絲表面及內部缺陷結構

原絲黏連 （圖 1c） 的產生則可能是由于凝固速度慢，絲條的表面存在一定的黏性，未完全凝固的聚合物被表面殘留的溶劑二甲基亞砜 （DMSO） 溶脹，也可能是因浸漬油劑不均勻，在每根單絲表面沒有形成均勻的油劑膜所致。這種黏連或并絲現象嚴重損傷了原絲的表面，并最終會遺傳給碳纖維。原絲表面刮傷（圖 1d） 是被生產線上的傳動輥所刮傷，在后處理過程中也無法彌補。

3、SEM用于PAN基碳纖維缺陷結構表征

碳纖維的內部缺陷主要遺傳自 PAN 原絲。在碳纖維制備過程中，原絲經過預氧化和碳化過程，會使缺陷結構有所改善，但纖維內部孔隙、雜質等變化不大，并會遺傳給碳纖維。

圖 2 為碳纖維的表面及內部結構中存在的幾種缺陷。碳纖維表面沉積物 （圖 2a） 可能是由 PAN 原絲遺傳下來的，因為預氧化和碳化過程屬于固相轉化，在纖維表面產生沉積物污染的概率較小。碳纖維內部大孔洞 （圖2b） 及并絲 （圖 2c） 同樣可能是由原絲遺傳所致。纖維內部大孔洞的存在會減小有效橫截面積，從而降低纖維的強度。

▲圖2 PAN基碳纖維表面及內部缺陷結構

4 SEM用于碳纖維表面溝槽結構表征

PAN 基碳纖維表面的溝槽結構隨原絲紡絲工藝的不同而存在差異。使用濕法紡絲制備的碳纖維表面具有明顯的纖維軸向溝槽結構，而使用干噴濕法紡絲工藝所制得的碳纖維的表面比較光潔平滑。

圖 3 為 3 種不同碳纖維樣品的表面結構SEM 照片，3a為日本東麗T800，另外兩個樣品為國產碳纖維，原絲紡絲工藝均為濕法紡絲。從照片中可以看出，T800 與 2# 樣品的纖維表面溝槽結構明顯，并且溝槽較寬、較深，而 1# 樣品的纖維表面溝槽結構則較窄、較淺。這可能是由于 PAN 原絲聚合和紡絲工藝條件的不同所致。

 ▲圖3 PAN基碳纖維表面溝槽結構

圖 4 為 T800、1#、2# 碳纖維樣品截面形貌的SEM 照片。從圖 4 中可以看出：T800 具有較好的圓形截面；1# 碳纖維樣品表面的溝槽較淺，截面呈圓形；2# 樣品由于表面溝槽較深，碳纖維截面輪廓上出現明顯的凹凸不平褶皺。

 ▲圖4 PAN基碳纖維截面形貌

這種明顯的褶皺結構在制備樹脂基復合材料過程中不但可以使碳纖維與樹脂基體接觸面積增大，而且也便于樹脂沿褶皺滲流，制得黏結性好的復合材料。但是這種褶皺不宜過深，否則會導致碳纖維拉伸強度的降低。 

（1）碳纖維表面及內部的缺陷，如表面沉積物、內部孔洞及絲束間黏連等是制約其拉伸強度提高的重要因素，而使用 SEM 可以直觀地觀察到碳纖維表面及其內部缺陷，從而為工藝控制提供指導意義。

（2）碳纖維表面的溝槽結構因原絲紡絲工藝不同而有所差異，通過 SEM 觀察到濕法紡絲制備的碳纖維具有明顯的溝槽結構，但溝槽結構又隨著紡絲工藝條件而存在差異。