專利名稱：：纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于分析測試領(lǐng)域，主要針對PAN基炭纖維中取向納米微孔精確形態(tài)特征的分析表征。這種分析方法對于瀝青基炭纖維、凱芙拉、聚酰亞胺等先進(jìn)纖維材料也同樣適用。
背景技術(shù)：
：PAN基炭纖維是當(dāng)今比強(qiáng)度比模量最高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性也十分優(yōu)良的纖維材料。眾所周知，炭纖維的優(yōu)異性能與它的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷密切相關(guān)，其中一種納米級的缺陷——取向微孔洞也受到了人們的廣泛注意。有關(guān)PAN基炭纖維中微孔形態(tài)的有關(guān)數(shù)據(jù)可參看表1。表1PAN基炭纖維中微孔形態(tài)數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>從表1中可以看出，迄今為止人們對PAN基炭纖維中納米孔的形態(tài)已有一定的了解，但是這種了解仍是十分初步和簡略的。本發(fā)明提出一套對PAN基炭纖維等纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的精確全面的分析表征方法，并建議將這一分析表征方法作為研究和了解PAN基炭纖維中微孔特征與纖維性能之間關(guān)系的一種有效手段。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提出一套對PAN基炭纖維、瀝青基炭纖維、凱芙拉纖維以及聚酰亞胺纖維等纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的精確全面的分析表征方法，并可以將這一分析表征方法作為研究和了解PAN基炭纖維中微孔特征與纖維性能之間關(guān)系的一種有效手段。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下。一種纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征方法，采用功率為1218KW的X射線小角散射設(shè)備，經(jīng)過試樣制備，測試參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)處理過程，得到微孔長度、直徑系列值及其相應(yīng)的長徑比，和不同粒度微孔的體積、體積分?jǐn)?shù)以及單位體積內(nèi)各種粒度微孔的數(shù)量；所述的試樣制備，將纖維平行排列呈平板狀，厚在0.3mm0.7mm之間；所述的測試參數(shù)選擇，是按透射方式測量散射強(qiáng)度I(s)，記錄掃描方向與纖維軸垂直時的赤道散射強(qiáng)度曲線Ia(s)，和掃描方向與纖維軸平行時的子午散射強(qiáng)度曲線Ic(s);所述的數(shù)據(jù)處理，是當(dāng)納米微孔為沿纖維軸平行排列的長橢球形時，微孔的形態(tài)參數(shù)按下列方式處理散射強(qiáng)度曲線基于子午掃描曲線的表達(dá)方式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)應(yīng)用逐級切線法獲得微孔長度的系列值，Ci,C2，……Ci……Cn;基于赤道掃描曲線的表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>)(2)應(yīng)用逐級切線法獲得微孔直徑的系列值，A,a2，......ai......an;式(1)和式(2)中，la(s)和Ic(s)分別為微孔赤道小角散射強(qiáng)度與子午小角散射強(qiáng)度；S-S從為散射矢量；Io為與衍射條件相關(guān)的常數(shù)；Ili為第i種微孔的數(shù)量；Vi為第i種微孔體積;ai為第i種微孔的直徑;Ci為炭纖維縱軸方向上微孔的長度;由式(1)和式(2)可知，對于不同體積微孔來說有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)式(3)中，lai(0)及l(fā)cj(0)分別為第i種孔洞在赤道散射曲線及子午散射曲線上的強(qiáng)度值；依此式確定在ai系列和Ci系列中屬于同一種微孔的ai及&的數(shù)值以及它們的長徑比Ci/a;;由式(l)、式(2)和式(3)可計算得到雄",、依式(4)求出不同粒度微孔的體積分?jǐn)?shù)Vi;式中Ii(0)為第i種孔洞在赤道散射和子午散射曲線上s=0處的強(qiáng)度值；依據(jù)式(5)計算每nm3體積中不同粒度微孔的絕對數(shù)量Ni-從々"(5)式(5)中&=1—^21為孔洞率，外及pg分別為炭纖維及石墨纖維的體密度；d(h)2、ds分別為炭纖維及石墨纖維的(002)面間距；Vi為第i種孔洞的體積分?jǐn)?shù)，Vi為第i種洞的體積。本發(fā)明的分析表征方法采用的是小角X射線散射技術(shù)。為此最好采用較高功率的X射線小角散射設(shè)備，其功率1218KW為妥。散射強(qiáng)度記錄范圍，低限應(yīng)不大于0.08°，高限應(yīng)達(dá)到5°7°。分析試樣為將纖維平行排列呈平板狀，厚在0.3mm—0.7mm之間。記錄散射強(qiáng)度時按透射方式安排。記錄赤道散射曲線(掃描方向與纖維軸垂直)和子午散射曲線(掃描方向與纖維軸平行)。散射強(qiáng)度曲線要經(jīng)過背底校正。即，測試參數(shù)選擇過程，要對赤道散射強(qiáng)度曲線Ia(s)，和子午散射強(qiáng)度曲線Ic(s)進(jìn)行背底校正；具體的是，在實驗條件相同的條件下測空氣散射強(qiáng)度曲線Ik(s)，并用樣品的I(s)減掉空氣的IK(s)。本發(fā)明彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)只給出纖維材料中取向納米微孔長度和微孔直徑簡略結(jié)果的不足，可以得到微孔長度、直徑系列值及其相應(yīng)的長徑比，以及不同粒度微孔的體積、體積分?jǐn)?shù)和單位體積內(nèi)各種粒度微孔的數(shù)量。本發(fā)明的方法對PAN基炭纖維、瀝青基炭纖維、凱芙拉、聚酰亞胺等先進(jìn)纖維材料同樣適用；本發(fā)明的方法中，微孔為沿纖維軸取向排列的橢球形微孔，當(dāng)微孔為長圓柱形或長方錐形取向微孔時，本發(fā)明的實驗措施、數(shù)據(jù)處理方法同樣適用。圖1是本發(fā)明實施例1的經(jīng)背底校正的PAN基炭纖維材料的子午掃描和赤道掃描曲線。圖2是本發(fā)明實施例2的經(jīng)背底校正的PAN基石墨纖維材料的子午掃描和赤道掃描曲線。具體實施例方式在下列的實施例中，所用的設(shè)備是帶小角散射附件的日本理學(xué)D/max2550PC18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀，選用配有多層膜鏡單色器的Cu輻射和4狹縫光源準(zhǔn)直系統(tǒng)，狹縫的寬度分別為0.04mm、0.03mm、O.lmm、0.25mm。采用步進(jìn)掃描方式記錄散射強(qiáng)度，步長為0.02°，每步計數(shù)時間為10秒，掃描范圍0.08°5°。為防止空氣和其它寄生散射，需要把樣品到探測器間的距離抽成低真空。在下列的實施例中，所說的公式(l)、(2)、(3)、(4)和(5)就是公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)。所得到的結(jié)果均是采用
發(fā)明內(nèi)容中的公式(l)、(2)、(3)、(4)和(5)計算得到的。其中n^4，艮卩，i-l、2、3、4;e=5°;ni為第i種微孔的數(shù)量，在運算過程中可約去；Vi為第i種微孔體積，即橢球體積；化及/)g分別取1.76g/cm3和1.80g/cm3。實施例l對PAN基炭纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征將1K高強(qiáng)型炭纖維(PAN基炭纖維材料)樣品平行排列在O30mm的圓平板試樣架上，厚度為0.5mm。測量它們的赤道掃描(掃描方向與纖維軸垂直)和子午掃描(掃描方向與纖維軸平行)，在實驗條件完全相同的條件下測空氣散射。小角散射強(qiáng)度曲線要經(jīng)過背底校正如圖1所示。圖1中，a為PAN基炭纖維材料的赤道掃描小角散射強(qiáng)度曲線，b為PAN基炭纖維材料的子午掃描小角散射強(qiáng)度曲線。由圖1的曲線應(yīng)用公式(1)(5)計算所得數(shù)據(jù)(微孔直徑ai、微孔長度q、微孔長徑比Ci/ai、微孔體積Vi、微孔體積分?jǐn)?shù)Vi和單位體積內(nèi)微孔數(shù)量)列與表2中。表2PAN基炭纖維中取向納米微孔形態(tài)數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征將1K高模石墨纖維(PAN基石墨纖維材料)樣品平行排列在O30mm的圓平板試樣架上，厚度為0.5mm。測量它們的赤道掃描(掃描方向與纖維軸垂直)和子午掃描(掃描方向與纖維軸平行)，在實驗條件完全相同的條件下測空氣散射。小角散射強(qiáng)度曲線要經(jīng)過背底校正如圖2所示。圖l中，a為高模石墨纖維樣品的赤道掃描小角散射強(qiáng)度曲線，b為高模石墨纖維樣品的子午掃描小角散射強(qiáng)度曲線。由圖2中曲線應(yīng)用公式(1)(5)計算所得數(shù)據(jù)(微孔直徑ai、微孔長度Ci、微孔長徑比Ci/a;、微孔體積Vi、微孔體積分?jǐn)?shù)Vi和單位體積內(nèi)微孔數(shù)量)列與表3中。表3PAN基石墨纖維中取向納米微孔形態(tài)數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由實施例1和實施例2所得結(jié)果表明，本發(fā)明所給出的納米微孔的形態(tài)參數(shù)更為精確和全面。權(quán)利要求1、一種纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征方法，采用功率為12～18KW的X射線小角散射設(shè)備，經(jīng)過試樣制備，測試參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)處理過程，得到微孔長度、直徑系列值及其相應(yīng)的長徑比，和不同粒度微孔的體積、體積分?jǐn)?shù)以及單位體積內(nèi)各種粒度微孔的數(shù)量；所述的試樣制備，將纖維平行排列呈平板狀，厚在0.3mm～0.7mm之間；所述的測試參數(shù)選擇，是按透射方式測量散射強(qiáng)度I(s)，記錄掃描方向與纖維軸垂直時的赤道散射強(qiáng)度曲線Ia(s)，和掃描方向與纖維軸平行時的子午散射強(qiáng)度曲線Ic(s)；所述的數(shù)據(jù)處理，是當(dāng)納米微孔為沿纖維軸平行排列的長橢球形時，微孔的形態(tài)參數(shù)按下列方式處理散射強(qiáng)度曲線基于子午掃描曲線的表達(dá)方式<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>I</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>S</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mover><mi>Σ</mi><mi>n</mi></mover><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub><msup><msub><mi>v</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>5</mn></mfrac><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><msub><mi>c</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>應(yīng)用逐級切線法獲得微孔長度的系列值，c1，c2，……ci……cn；基于赤道掃描曲線的表達(dá)式<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>I</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>S</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mover><mi>Σ</mi><mi>n</mi></mover><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub><msup><msub><mi>v</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>5</mn></mfrac><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>應(yīng)用逐級切線法獲得微孔直徑的系列值，a1，a2，……ai……an；式(1)和式(2)中，Ia(s)和Ic(s)分別為微孔赤道小角散射強(qiáng)度與子午小角散射強(qiáng)度；s＝ε/λ為散射矢量；I0為與衍射條件相關(guān)的常數(shù)；ni為第i種微孔的數(shù)量；vi為第i種微孔體積；ai為第i種微孔的直徑；ci為炭纖維縱軸方向上微孔的長度；由式(1)和式(2)可知，對于不同體積微孔來說有<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><munder><mi>lim</mi><mrow><mi>s</mi><mo>→</mo><mn>0</mn></mrow></munder><mo>[</mo><mi>ln</mi><mi>I</mi><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>ln</mi><mi>I</mi><msub><mi>c</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式(3)中，Iai(0)及Ici(0)分別為第i種孔洞在赤道散射曲線及子午散射曲線上的強(qiáng)度值；依此式確定在ai系列和ci系列中屬于同一種微孔的ai及ci的數(shù)值以及它們的長徑比ci/ai；由式(1)、式(2)和式(3)可計算得到<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><msub><mi>c</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mover><mi>Σ</mi><mi>n</mi></mover><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub><mn>2</mn></msup><msub><mi>c</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>依式(4)求出不同粒度微孔的體積分?jǐn)?shù)Vi；式中Ii(0)為第I種孔洞在赤道散射和子午散射曲線上s＝0處的強(qiáng)度值；依據(jù)式(5)計算每μm3體積中不同粒度微孔的絕對數(shù)量NiNi＝Vp×Vi/vi(5)式(5)中<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>f</mi></msub><msub><mi>d</mi><mn>002</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>g</mi></msub><mi>ds</mi></mrow></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0005"file="A2008100511100003C2.tif"wi="27"he="11"top="92"left="37"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>為孔洞率，ρf及ρg分別為炭纖維及石墨纖維的體密度；d002、ds分別為炭纖維及石墨纖維的(002)面間距；Vi為第i孔洞的體積分?jǐn)?shù)，vi為第i種孔洞的體積。2、按照權(quán)利要求1所述的一種纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征方法，其特征在于，所述的纖維材料，是PAN基炭纖維或PAN基石墨纖維。3、按照權(quán)利要求1或2所述的一種纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征方法，其特征在于，所述的測試參數(shù)選擇過程，要對赤道散射強(qiáng)度曲線Ia(s),和子午散射強(qiáng)度曲線Ic(s)進(jìn)行背底校正，即，在實驗條件相同的條件下測空氣散射強(qiáng)度曲線lK(s)，并用樣品的I(s)減掉空氣的k(s)。式(5)中^"為孔洞率，pf及pg分別為炭纖維及石墨纖維的體密度;全文摘要本發(fā)明的纖維材料中取向納米微孔形態(tài)特征的分析表征方法屬于分析測試領(lǐng)域。采用功率為12～18KW的X射線小角散射設(shè)備，經(jīng)過試樣制備，按透射方式測量散射強(qiáng)度I(s)，記錄赤道散射曲線Ia(s)，和子午散射曲線Ic(s)；經(jīng)數(shù)據(jù)處理過程，得到微孔長度、直徑系列值及其相應(yīng)的長徑比，和不同粒度微孔的體積、體積分?jǐn)?shù)以及單位體積內(nèi)各種粒度微孔的數(shù)量。本發(fā)明的方法適用PAN基炭纖維、瀝青基炭纖維、凱芙拉、聚酰亞胺等先進(jìn)纖維材料的測試，所給出的納米微孔的形態(tài)參數(shù)更為精確和全面，為研究和了解纖維材料中微孔特征與纖維性能之間關(guān)系提供一種有效手段。文檔編號G01N15/08GK101349543SQ200810051110公開日2009年1月21日申請日期2008年8月22日優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日發(fā)明者李向山,顧濱兵,宇高,高忠民申請人:吉林大學(xué)