Исследование структуры волокнистых углеродных материалов методом рентгеновской дифрактометрии

Представлены результаты исследования структуры углеродных материалов методом рентгеновской дифрактометрии. С использованием рентгеновского дифрактометра D8 ADVANCE (фильтрованное CuKα-излучение) анализировали углеродные волокна с различными температурными (от ~2300 до ~3000 °C) режимами термообработки. Показано; что при проведении диагностики структуры волокнистых углеродных материалов; в которые рентгеновские лучи проникают на большую глубину; необходимо ограничивать толщину объекта исследования до ~0,1 мм для обеспечения условия самофокусировки всем объемом образца; формирующим дифрагированный пучок. Материал углеродных высокомодульных волокон может быть гетерогенным; включать области когерентного рассеяния; параметры кристаллической структуры которых отличаются. В результате экспериментально наблюдаемые дифракционные максимумы 002; 004 и 006 становятся асимметричными и не описываются функциями Гаусса; Лоренца или Войта. Поэтому получаемые по стандартной методике средние значения межплоскостного расстояния и размеры областей когерентного рассеяния не отражают реальную структуру материала. Профиль асимметричного дифракционного максимума 002 анализировали с помощью программы Origin. Это позволило исследовать тонкую (гетерогенную) структуру волокна; которая во многом определяет физико-механические свойства материала. Приведены данные анализа профилей максимумов 002 углеродных образцов до и после удаления CuKα₂-составляющей. Выполнено сравнение результатов разделения экспериментально наблюдаемых асимметричных дифракционных максимумов 002 на симметричные максимумы; описываемые функциями Гаусса; Лоренца и Войта. Установлено; что предпочтительно разложение на компоненты; описываемые функциями Гаусса или Войта.

1. Zhua C. Zh., Yua X. L., Liua X. F., et al. 2D saxs/waxd analysis of PAN carbon fiber microstructure in organic/inorganic transformation / Chinese Journal of Polymer Science. 2013. Vol. 31. N 5. P. 823 – 832.

2. Rahaman M., Ismail A., Mustafa A. A review of Heat Treatment on Polyacrylonitrile Fiber / Polymer Degradation and Stability. 2007. Vol. 92. P. 1421 – 1432.

3. Naraghi M., Chawla S. Carbonized Micro- and Nanostructures: Can Downsizing Really Help? / Materials. 2014. N 7. P. 3820 – 3833.

4. Wang B., Xiao Sh., Cao W., et al. Evolution of Aggregation Structure of Polyacrylonitrile Fibers in the Cyclization Reaction / Journal of Applied Polymer Science. 2012. Vol. 124. P. 3413 – 3418.

5. Liu J., Xiao S., Shen Z., et al. Study on the oxidative stabilization of polyacrylonitrile fibers by microwave heating / Polymer Degradation and Stability. 2018. Vol. 150. P. 86 – 91.

6. Yang J., Liu Y., Liu J., et al. Radial and Continuous Preparation of Polyacrylonitrile-Based Carbon Fibers with Electron-Beam Irradiation Pretreatment / Materials. 2018. Vol. 11. N 8. P. 1270 – 1280.

7. Zhao W., Lu Y., Zhou L., et al. Effects on the oriented structure and mechanical properties of carbon fibers by pre-irradiating polyacrylonitrile fibers with y ray / J. Mater. Sci. 2016. Vol. 51. P. 7073 – 7084.

8. Fazlitdinova A. G., Tuymentsev V. A., Podkopaev S. A., Shveikin G. P. Changes of polyacrylonitrile fiber during thermal stabilization / J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. P. 3998 – 4005.

9. Ozbek S., Isaac D. Strain-induced density changes in PAN-based carbon fibres / Carbon. 2000. Vol. 38. P. 2007 – 2016.

10. Liu F., Wang H., Xue L., et al. Effect of microstructure on the mechanical properties of PAN-based carbon fibers during high-temperature graphitization / J. Mater. Sci. 2008. Vol. 43. N 12. P. 4316 – 4322.

11. Li D., Wang H., Wang X. Effect of microstructure on the modulus of PAN-based carbon fibers during temperature treatment and hot stretching graphitization / J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 4642 – 4649.

12. Tyumentsev V. A., Fazlitdinova A. G. The relationship of production modes and the fine structure of carbon fiber / JTF. 2016. Vol. 86. Issue 3. P. 62 – 69.

13. Bukalov S. S., Leytes L. A., Goloveshkin A. S., et al. The research of carbon fiber structure obtained by high-temperature thermomechanical treatment of polyacrylonitrile filament using Raman scattering spectroscopy and X-ray diffraction / Izv. RAN. Ser. Khim. 2018. N 6. P. 1002 – 1009 [in Russian].

14. Zhu H., Li X., Han F., et al. The effect of pitch-based carbon fiber microstructure and composition on the formation and growth of SiC whiskers via reaction of such fibers with silicon sources / Carbon. 2016. Vol. 99. P. 174 – 185.

15. Cao J., Zhao W., Gao S. Properties and Structure of In Situ Transformed PAN-Based Carbon Fibers / Materials. 2018. Vol. 11. N 6. P. 1017 – 1026.

16. Lee S., Kang D., Lee S., Roh J. X-ray diffraction analysis of the effect of ball milling time on crystallinity of milled polyacrylonitrile-based carbon fibers / Carbon letters. 2018. Vol. 26. P. 11 – 17.

17. Lachter J., Bragg R. Interstitials in graphite and disordered carbons / Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33. N 12. P. 8903 – 8905.

18. Tadjani M., Lechter J., Kabret T., Bragg R. Structural disorder induced in graphite by grinding / Carbon. 1986. Vol. 24. N 4. P. 447 – 449.

19. Aladekomo J., Bragg R. Structural transformations induced in graphite by grinding: Analyusis of 002 X-ray diffraction line profiles / Carbon. 1990. Vol. 28. N 6. P. 897 – 906.

20. Kawamura K., Bragg R. Graphitization of pitch coke: changes in mean interlayer spacing, strain and weight / Carbon. 1986. Vol. 24. N 3. P. 301 – 309.