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循絲探理│碳纖維取向度如何測？
導 讀
碳纖維作為高性能纖維的翹楚，具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，并且沿纖維軸方向有很高的強度和模量，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、風電葉片、汽車、壓力容器等高端應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“方向一致進而形成強大的合力"。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生的方向效應，即取向效應，亦對纖維的機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！！！
是的，合成纖維等線形聚合物在未發生取向時，大分子鏈或鏈段、微晶的排列是隨機的、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，則會表現出不同程度的取向效應。
發生取向后，由于在取向方向上原子之間的作用力以化學鍵為主，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械強度、彈性模量等機械性能越好。
XRD測試纖維取向度原理
XRD作為材料結構分析的典型手段，可對纖維材料取向度進行有效表征。
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射線的平面內旋轉（圖1），測得β-I角度-強度分布曲線，此過程稱之為方位角掃描，并采用以下經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，旋轉樣品臺（圖3）可實現正交透射模式及平面內旋轉，以及數據處理模塊“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，例如黑色箭頭標示處，赤道掃描，該衍射峰強度非常高，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，對赤道掃描譜圖進行處理，讀取*峰衍射角2θ=25.69°，將探測器固定在25.69°進行方位角掃描，測得的強度分布曲線如圖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%。
結語
纖維取向度對纖維的機械強度、彈性模量及其它機械性能有著直接影響，因此對纖維取向度進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、不同工藝下纖維產品的對比，進而指導工藝優化。
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