纖維是一種導電材料，雖然其導電性要低於傳統的金屬材料，但是作為非金屬導體其導電性還是備受青睞，尤其近年來碳纖維加熱管、碳纖維地暖等產品逐漸普及，使碳纖維成為廣為關注的電熱材料。本文詳細分析了碳纖維導電原理、導電影響因素及電阻率測試方法。
碳纖維材料的導電原理
碳纖維是由微晶結構組成，石墨單晶中碳原子的結構排列如圖1所示，每個碳原子由強的共價鍵(σ鍵)與其他相鄰的三個碳原子結合；同時，石墨微晶存在層狀結構，層與層間依靠范德華力連線，屬於次價鍵力，因此在平行基面方向具有良好的機械效能及導電性，而在層間方面強度較低。
圖1 石墨單晶結構示意圖
作為一種含碳量在95%以上的碳石墨材料，碳纖維的導電原理也與石墨導電相類似，纖維內部所有c原子參與形成大π鍵，從而形成連續能帶，每個c可剩餘1個能夠自由移動電子，沿著連續能帶實現導電，但是由於碳纖維具有獨特的亂層結構，導致碳纖維層內方向(纖維軸向)導電性顯著優於層間(纖維縱向)導電性。
碳纖維導電性的影響因素
碳纖維之所以能夠導電，與其內部的石墨微晶結構休戚相關，因此影響碳纖維導電性強弱的關鍵因素在於其內部微觀結構。
一般而言，碳纖維石墨化程度越高，石墨微晶結構越完善，碳纖維的導電性越好。對於t300、t800等級別高強中模碳纖維，纖維內部具有典型的二維亂層石墨結構，如圖2所示，由於石墨層內存在缺陷結構，致使其導電性較差。
圖2 高強中模碳纖維內部典型亂層石墨結構
經過石墨化處理後，纖維內部二維亂層石墨結構逐漸轉變為三維石墨微晶結構，而且石墨化程度越高，石墨微晶越接近於理想石墨單晶結構。對於石墨化程度而言，最為客觀反映程度高低的就是碳纖維拉伸模量，因為石墨化程度越高，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係曲線如圖3所示，隨著碳纖維拉伸模量增加，纖維電阻率逐漸下降。通過提高熱處理溫度，可以製備高拉伸模量碳纖維，而在熱處理過程中石墨片層會逐漸生長，石墨微晶層間距逐漸下降、取向提高，為π電子導電提供了良好的空間，因此纖維導電性顯著提高。
圖3 pan基碳纖維拉伸模量與電阻率之間關係
碳纖維的電阻率測試
為了便捷快速測試碳纖維導電性能，中科院寧波材料所特纖事業部科研人員在多年碳纖維研發經驗的基礎上，發明了一種碳纖維電阻率測試裝置，如圖4所示，利用該裝置對碳纖維電阻率測試時，通過讀取電壓、電流錶數值，並按照特定公式計算，可以快速實現碳纖維電阻率檢測。
圖4 碳纖維電阻率測試裝置
測試具體流程如下：從繞絲架上剪取一定長度的碳纖維樣品，在施加張力情況下將其固定在底板上，依照刻度線調整兩個電極調節塊至特定距離，隨後，使電極接觸到待測碳纖維樣品，調整電源，實現通過待測樣品的電流值穩定在一數值，然後讀取此時的電壓值，最後按照電阻率公式計算得到電阻率。
為了驗證裝置及測試資料的可靠性，利用該裝置對寧波材料所自行研發的國產m50j、m55j級高強高模碳纖維電阻率進行了測試，測試結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產品電阻率的標稱資料相近。
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