[發明專利]一種基于等離子體刻蝕技術的碳纖維徑向結構與性能的研究方法

有效

• 申請號: 201710197434.9
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106932443B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 王榮國;赫曉東;郝立峰;彭平;陳鎏洋
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 李紅媛

一種基于等離子體刻蝕技術的碳纖維徑向結構與性能的研究方法，本發明涉及碳纖維結構和性能測試技術領域，具體是涉及一種基于等離子體刻蝕技術的碳纖維徑向結構與性能的研究方法。碳纖維單絲通過等離子體蝕刻逐層剝離，并且刻蝕處理后的電阻和力學性能分別通過萬用表和單絲拉伸試驗機測量。該方法成功的在蝕刻期間將單絲的半徑變化控制到納米級的精度。從而保證了相應的結構和力學性能分布測量的精度。此研究方法操作簡便，測試精度高，廣泛適用于碳纖維單絲結構及其各種物理、力學性能分步的研究。

技術領域

本發明涉及碳纖維結構和性能測試技術領域，具體是涉及一種基于等離子體刻蝕技術的碳纖維徑向結構與性能的研究方法。

背景技術

碳纖維是高模量，高強度和低密度結構材料，廣泛應用于如航空航天工業等許多領域。但由于碳纖維單絲具有不均勻的皮芯結構，容易導致不均勻的應力分布。集中應力在某些區域加速微孔的形成和生長，并最終導致斷裂。因此，更重要的是研究非均勻的結構與相應的不均勻的力學性能之間的關系。為了實現這一點，需要以高的空間分辨率同時測量單絲的結構和機械性能。在原位拉伸或壓縮試驗中使用例如廣角X射線衍射、小角度X射線散射、微拉曼光譜和納米級動態力學分析等幾種方法，來表征碳纖維單絲，并研究應力不均勻性，微孔演化和結構變化。

雖然這些方法能給出豐富的信息，但它們都有一些限制。X射線衍射基于同步輻射源產生的微束，復雜且昂貴。因此，只能表征少量的單絲，這對于研究其尺寸和性能相當分散的碳纖維是不夠的；拉曼光譜的空間分辨率有限，只能達到亞微米級別，并且只能精確地檢測表面部分；納米動態力學分析需要特殊制備的橫截面裸露的樣品，并且樣品制備過程傾向于改變裸露表面的結構。因此，非常需要一種簡單和有效的方法來詳細表征碳纖維的結構-力學不均勻性。

發明內容

本發明針對以上方法存在的不足，而提供一種基于等離子體刻蝕技術的碳纖維徑向結構與性能的研究方法。

本發明一種基于等離子體刻蝕技術的碳纖維徑向結構與性能的研究方法是按以下步驟進行：

一、從絲束中分離出碳纖維單絲，將單根碳纖維單絲橫跨在設置有U形槽的玻璃板的U形槽口上，并采用導電銀膠粘劑將銅箔電極粘接在碳纖維單絲的兩端，得到載有測電阻用碳纖維樣品的玻璃板；

二、將載有測電阻用碳纖維樣品的玻璃板放入等離子體刻蝕機的腔體中在固定的刻蝕頻率下進行等離子體蝕刻，在等離子體蝕刻期間，反應器中氣體氛圍為具有一定壓力的干燥氣體；

三、當刻蝕到第1次設計的蝕刻時間后，停止刻蝕并采用萬用表測量碳纖維單絲的電阻，然后繼續蝕刻；

四、重復步驟三至刻蝕到第N-1次設計的蝕刻時間后，停止刻蝕并采用萬用表繼續測量碳纖維單絲的電阻，此時碳纖維單絲未完全斷裂，繼續蝕刻至到第N次設計的蝕刻時間時，停止刻蝕并采用萬用表繼續測量碳纖維單絲的電阻，此時碳纖維單絲完全斷裂，結束等離子體蝕刻；

五、將若干根步驟一中分離出的碳纖維單絲平行橫跨在設置有U形槽的玻璃板的U形槽口上，并采用導電銀膠粘劑將銅箔電極粘接在碳纖維單絲的兩端，得到載有碳纖維樣品的玻璃板；將若干根碳纖維單絲均分成N組；所述N為按照固定的刻蝕頻率和步驟七中所述設定時間分次進行刻蝕直至碳纖維單絲斷裂所通過的刻蝕的次數；

六、將載有碳纖維樣品的玻璃板放入等離子體刻蝕機的腔體中在固定的刻蝕頻率下進行等離子體蝕刻，在等離子體蝕刻期間，反應器中氣體氛圍為具有一定壓力的干燥氣體；

七、當刻蝕到第1次設定時間后，停止刻蝕并取出第1組碳纖維單絲，然后繼續蝕刻；

八、重復步驟七至刻蝕到第N-1次設定時間后，停止刻蝕并取出第N-1組碳纖維單絲，此時第N-1組碳纖維單絲未完全斷裂，繼續蝕刻至到第N次設定時間時，停止刻蝕并取出第N組碳纖維單絲，此時第N組碳纖維單絲完全斷裂，結束等離子體蝕刻；