基于同步辐射SAXS/WAXS联用技术的粘胶基碳纤维石墨化过程微结构演变机制研究

为解决粘胶基碳纤维(Viscose-based carbon fibers)在高温石墨化过程中微结构演变机制不明确的问题，研究人员采用同步辐射小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)技术，系统研究了1200-2800°C热处理下孔隙与微晶的定向演变规律。发现石墨化过程分为热缩聚(1200-2200°C)和碳重排(2200-2800°C)两阶段，揭示了孔隙长轴缩短、微晶尺寸增大的非线性变化特征，为优化航空用碳纤维制备工艺提供了理论依据。

　　

碳纤维作为航空航天领域的战略材料，其性能高度依赖微观结构特征。粘胶基碳纤维虽具有密度低、抗烧蚀等独特优势，但存在难石墨化、强度-模量倒置等瓶颈问题。传统研究多聚焦聚丙烯腈(PAN)基或沥青基碳纤维，对粘胶基纤维在高温石墨化过程中孔隙与微晶的协同演变机制认识不足，制约了其高端应用。

河北省碳基材料与应用技术创新中心的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，创新性地采用同步辐射光源的高强度小角X射线散射(SAXS)和广角X射线散射(WAXS)联用技术，首次实现对粘胶基碳纤维从1200°C至2800°C全温度区间微结构演变的原位追踪。通过建立散射图像与实空间结构的对应关系，揭示了纤维内部针状孔隙和石墨微晶的定向排列特征及其温度依赖性变化规律。

研究采用2K粘胶基碳纤维束为样本，在氩气保护下进行梯度温度热处理(1200-2800°C，间隔200-400°C)。通过SEM观察表面/截面形貌，结合SAXS定量解析孔隙参数(形状因子、取向度、尺寸分布)，WAXS测定微晶参数(层间距d₀₀₂
、晶粒尺寸L_c
/L_a
)，构建了完整的结构-性能关联模型。

Reciprocal relationship
研究发现纤维内部针状孔隙沿轴向优先排列，SAXS散射图像呈现典型的各向异性特征：赤道方向(垂直纤维轴)散射强度大，子午方向(平行纤维轴)散射强度小。这种倒易关系证实孔隙长轴与纤维轴夹角是影响散射图案的关键参数。

SEM
电镜观测显示未石墨化纤维截面孔隙稀疏且以大孔为主(图2a)，经2800°C处理后形成贯通孔道网络(图2b)。高温促使小孔合并、大孔重构，表面出现石墨片层剥离现象，与SAXS测得的孔隙长轴缩短(<120nm→<80nm)结果相互印证。

Conclusion
研究得出两大创新发现：(1)石墨化过程存在明确相变阈值：1200-2200°C为热缩聚阶段，孔隙体积缩小38%而微晶尺寸L_a
增长2.1倍；2200-280°C为碳重排阶段，微晶层间距d₀₀₂
从0.344nm降至0.338nm，接近理想石墨晶体(0.335nm)；(2)力学性能变化源于结构参数非线性演变：模量提升主要来自2200°C后微晶取向度提高(赫尔曼因子从0.72增至0.89)，强度下降则与孔隙贯通导致的应力集中相关。

该研究首次建立了粘胶基碳纤维"温度-结构-性能"的定量关系模型，为开发新型耐高温碳纤维提供了以下指导：(1)在热缩聚阶段优化催化浸渍工艺可减少闭孔形成；(2)在碳重排阶段控制升温速率能促进微晶有序排列。邢思造等提出的两阶段演化理论，不仅完善了碳材料结构演变的基础理论，更推动了同步辐射技术在碳纤维产业化研究中的应用。