導(dǎo) 讀

碳纖維作為高性能纖維的翹楚，具有耐高溫,、抗摩擦,、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性,，并且沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量,，其外形呈纖維狀、柔軟,、可加工成各種織物,，一直以來，是航空航天,、風(fēng)電葉片,、汽車、壓力容器等高端應(yīng)用場景的核心材料之一,。

老話常說：心往一處想,，勁兒往一處使,。其實說的就是“方向一致進(jìn)而形成強(qiáng)大的合力",。類似,，對纖維材料而言,，其分子鏈,、微晶在拉伸等加工過程中產(chǎn)生的方向效應(yīng),，即取向效應(yīng),，亦對纖維的機(jī)械性能有著直接影響,。島津XRD（X射線衍射儀）,，配有纖維取向度專用附件,，可方便、迅捷的對聚合物等纖維材料取向程度進(jìn)行測定,。

什么是纖維取向度,？

定義：表示纖維的晶體軸沿著纖維長度方向排列的平行程度或擇優(yōu)取向程度。

先來看兩張示意圖：

左圖給各位看官直觀的感覺

是不是就像一群散兵游勇,？

而右圖則是整齊隊列的既視感,？

整齊劃一、萬眾一心,、眾志成城?。,。?/span>

是的,，合成纖維等線形聚合物在未發(fā)生取向時,，大分子鏈或鏈段、微晶的排列是隨機(jī)的,、無序的,；而在紡絲、拉伸等加工過程中,，大分子鏈或鏈段、微晶受到外力的作用,，則會表現(xiàn)出不同程度的取向效應(yīng),。

發(fā)生取向后，由于在取向方向上原子之間的作用力以化學(xué)鍵為主,，而在與之垂直的方向上,，原子間的作用力以較弱的范德華力為主，因而纖維取向度越高,，則纖維長度方向上的機(jī)械強(qiáng)度,、彈性模量等機(jī)械性能越好。

XRD測試?yán)w維取向度原理

XRD作為材料結(jié)構(gòu)分析的典型手段,，可對纖維材料取向度進(jìn)行有效表征,。

圖1 纖維取向度測試時光路示意圖

在正交透射模式下（圖1），將纖維束置于子午線方向,，保持光管,、樣品位置固定不動，探測器作2θ掃描收集衍射信號,，此過程稱為子午掃描,。將纖維束置于赤道線方向，重復(fù)上述過程,，即為赤道掃描,；存在高度取向的纖維，赤道掃描與子午掃描譜圖差異較大,。

選取某特征衍射峰,，將探測器固定于該特征峰峰位處，纖維束在垂直于入射X射線的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)（圖1）,，測得β-I角度-強(qiáng)度分布曲線,，此過程稱之為方位角掃描，并采用以下經(jīng)驗公式即可計算纖維取向度π,。

式中：π—纖維取向度

      H—方位角掃描譜峰半峰寬（單位°）

島津解決方案

針對纖維取向度測試,，島津XRD開發(fā)有纖維取向度專用附件,，纖維專用樣品架（圖2）可保證纖維束平直拉緊，旋轉(zhuǎn)樣品臺（圖3）可實現(xiàn)正交透射模式及平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),，以及數(shù)據(jù)處理模塊“Preferred Orientation"可一鍵給出纖維樣品取向度,。

以某碳纖維樣品實際測試為例，其赤道掃描及子午掃描譜圖疊加見圖4,；顯然,，纖維束在兩種方向放置測試，測得譜圖差異十分明顯,，例如黑色箭頭標(biāo)示處,，赤道掃描，該衍射峰強(qiáng)度非常高,，而在子午掃描時該處基本未出峰,，這表明該碳纖維存在很強(qiáng)的取向。

圖4 碳纖維樣品赤道掃描與子午掃描譜圖疊加

利用島津分析軟件“Basic Process"模塊,，對赤道掃描譜圖進(jìn)行處理,，讀取*峰衍射角2θ=25.69°，將探測器固定在25.69°進(jìn)行方位角掃描,，測得的強(qiáng)度分布曲線如圖5所示,。

圖5 碳纖維樣品方位角掃描譜圖

利用島津分析軟件“Basic Process"模塊，對方位角掃描譜圖進(jìn)行平滑,、扣除背底,、尋峰等操作后，利用島津分析軟件“Preferred Orientation"模塊即可直接計算出碳纖維樣品取向度為83.7%,。

結(jié)語

纖維取向度對纖維的機(jī)械強(qiáng)度,、彈性模量及其它機(jī)械性能有著直接影響，因此對纖維取向度進(jìn)行測定有著非常重要的實際意義,。類似的測試可拓展用于不同批次,、不同工藝下纖維產(chǎn)品的對比，進(jìn)而指導(dǎo)工藝優(yōu)化,。

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