碳纤维（carbon fibers）是一种含碳量在95 %以上的高强度、高模量新型纤维材料。其质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且兼具导电、导热、耐高温、耐腐蚀等特性。碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，这也使其广泛应用于航空航天、土木工程、军事、交通运输、体育娱乐等领域。

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所张寿春研究员团队在碳纤维微观结构研究领域取得进展，以《Assessing the radial microstructural heterogeneity of polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers using nanoindentation》（利用纳米压痕技术评估聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的径向微观结构异质性）为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上。该论文创新性地提出了一种基于纳米压痕技术表征碳纤维径向结构异质性和石墨微晶取向性的新方法，为碳纤维微观结构研究提供了一种制样简单、可靠高效的新技术途径。

找到更简易的表征手段

就像拨开电缆芯一样，从里到外，从中心向边缘，材料的微观性能未必都能均匀保持一致，这就是径向异质性（Radial Heterogeneity），也叫做皮芯结构。

碳纤维是一种典型的结构异质性物质，对碳纤维径向异质性的微观结构解析和精准调控，对于突破下一代高强度高模量碳纤维技术瓶颈具有重要意义。人们对这种结构认识较少。

随着先进微区表征技术的进步，碳纤维的径向异质性结构特征才逐渐被揭示，如选取电子衍射（SEAD）、微束X射线衍射（microbeam-XRD）等等。然而，此类高分辨分析技术的样品准备难度极高，样品需要保证严格的尺寸精度和表面平整度，其复杂的预处理流程显著增加了实验难度。

此外，关于碳纤维微观力学性能径向分布的报道也很少。另辟蹊径，找到一种简单的表征技术非常有必要。

填补检测手段的空缺

纳米压痕检测技术（Nanoindentation），犹如一位微观世界的“地质学家”，用纳米探针轻叩材料表面，从细微的凹痕波纹中破译出深藏于原子间的硬度和韧性的密码。

碳纤维纳米压痕测试示意图及微观力学性能径向分布

纳米压痕技术是现代微观力学表征的关键手段，在碳纤维及其复合材料领域已得到广泛应用，例如碳纤维复合材料界面性能研究、碳纤维弹性常数测定等等。其具有纳米级位移控制精度的核心优势。研究团队采用纳米压痕技术系统性地评估了几种商品化PAN基碳纤维分别在轴向和横向上微观力学性能（弹性模量和硬度）的径向分布。结果表明强度等级较低的T300和T700S级碳纤维表现出严重的径向微观力学性能异质性。相比之下，T800H、T800S以及T1000G级碳纤维展现出优异的径向微观力学均匀性。碳纤维轴向微观力学性能与横向微观力学性能之比R可以在一定程度上反映石墨微晶的取向性，R越大，石墨微晶取向性越好。从而推断出单纤维内不同区域的取向度由高到低依次为：过渡层、皮层、芯层。

碳纤维石墨微晶取向分布及受压缩时变形机制

纳米压痕技术在评估碳纤维径向异质性结构方面展现出制样简单、结果可靠和检测效率高的显著优势。

本研究创新性地提出了一种基于纳米压痕技术表征碳纤维微观结构的新方法，弥补了碳纤维微观力学性能径向分布研究的空缺。

（710组）