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碳纖維是一種導(dǎo)電材料，雖然其導(dǎo)電性要低于傳統(tǒng)的金屬材料，但是作為非金屬導(dǎo)體其導(dǎo)電性還是備受青睞，尤其近年來(lái)碳纖維加熱管、碳纖維地暖等產(chǎn)品逐漸普及，使碳纖維成為廣為關(guān)注的電熱材料。本文詳細(xì)分析了碳纖維導(dǎo)電原理、導(dǎo)電影響因素及電阻率測(cè)試方法。

碳纖維是由微晶結(jié)構(gòu)組成，石墨單晶中碳原子的結(jié)構(gòu)排列如圖1所示，每個(gè)碳原子由強(qiáng)的共價(jià)鍵（σ鍵）與其他相鄰的三個(gè)碳原子結(jié)合；同時(shí)，石墨微晶存在層狀結(jié)構(gòu)，層與層間依靠范德華力連接，屬于次價(jià)鍵力，因此在平行基面方向具有良好的機(jī)械性能及導(dǎo)電性，而在層間方面強(qiáng)度較低。

圖1 石墨單晶結(jié)構(gòu)示意圖

作為一種含碳量在95%以上的碳石墨材料，碳纖維的導(dǎo)電原理也與石墨導(dǎo)電相類似，纖維內(nèi)部所有C原子參與形成大π鍵，從而形成連續(xù)能帶，每個(gè)C可剩余1個(gè)能夠自由移動(dòng)電子，沿著連續(xù)能帶實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，但是由于碳纖維具有獨(dú)特的亂層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碳纖維層內(nèi)方向（纖維軸向）導(dǎo)電性顯著優(yōu)于層間（纖維縱向）導(dǎo)電性。

碳纖維之所以能夠?qū)щ?，與其內(nèi)部的石墨微晶結(jié)構(gòu)休戚相關(guān)，因此影響碳纖維導(dǎo)電性強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素在于其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

一般而言，碳纖維石墨化程度越高，石墨微晶結(jié)構(gòu)越完善，碳纖維的導(dǎo)電性越好。對(duì)于T300、T800等級(jí)別高強(qiáng)中模碳纖維，纖維內(nèi)部具有典型的二維亂層石墨結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由于石墨層內(nèi)存在缺陷結(jié)構(gòu)，致使其導(dǎo)電性較差。

圖2 高強(qiáng)中模碳纖維內(nèi)部典型亂層石墨結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)石墨化處理后，纖維內(nèi)部二維亂層石墨結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿S石墨微晶結(jié)構(gòu)，而且石墨化程度越高，石墨微晶越接近于理想石墨單晶結(jié)構(gòu)。對(duì)于石墨化程度而言，最為客觀反映程度高低的就是碳纖維拉伸模量，因?yàn)槭潭仍礁?，碳纖維拉伸模量往往也就越高。

PAN基碳纖維拉伸模量與電阻率之間定量關(guān)系曲線如圖3所示，隨著碳纖維拉伸模量增加，纖維電阻率逐漸下降。通過(guò)提高熱處理溫度，可以制備高拉伸模量碳纖維，而在熱處理過(guò)程中石墨片層會(huì)逐漸生長(zhǎng)，石墨微晶層間距逐漸下降、取向提高，為π電子導(dǎo)電提供了良好的空間，因此纖維導(dǎo)電性顯著提高。

圖3 PAN基碳纖維拉伸模量與電阻率之間關(guān)系

為了便捷快速測(cè)試碳纖維導(dǎo)電性能，中科院寧波材料所特纖事業(yè)部科研人員在多年碳纖維研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種碳纖維電阻率測(cè)試裝置，如圖4所示，利用該裝置對(duì)碳纖維電阻率測(cè)試時(shí)，通過(guò)讀取電壓、電流表數(shù)值，并按照特定公式計(jì)算，可以快速實(shí)現(xiàn)碳纖維電阻率檢測(cè)。

圖4 碳纖維電阻率測(cè)試裝置

測(cè)試具體流程如下：從繞絲架上剪取一定長(zhǎng)度的碳纖維樣品，在施加張力情況下將其固定在底板上，依照刻度線調(diào)整兩個(gè)電極調(diào)節(jié)塊至特定距離，隨后，使電極接觸到待測(cè)碳纖維樣品，調(diào)整電源，實(shí)現(xiàn)通過(guò)待測(cè)樣品的電流值穩(wěn)定在一數(shù)值，然后讀取此時(shí)的電壓值，最后按照電阻率公式計(jì)算得到電阻率。

為了驗(yàn)證裝置及測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，利用該裝置對(duì)寧波材料所自行研發(fā)的國(guó)產(chǎn)M50J、M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維電阻率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示兩種樣品電阻率分別為0.94×10^-3Ω•cm、0.86×10^-3Ω•cm，與日本東麗相同型號(hào)產(chǎn)品電阻率的標(biāo)稱數(shù)據(jù)相近。