PAN基炭纤维皮芯结构的高温演变规律

以T300聚丙烯腈(PAN)炭纤维为研究对象,在1500℃～2500℃进行石墨化处理,采用元素分析、XRD、TEM和Raman测试手段从成分含量、聚集态结构、碳化学结构、微晶结构等方面分析研究PAN炭纤维在高温热处理过程中皮芯结构的演变规律及机理。结果表明,随热处理温度的升高,氮元素含量和d002逐渐减少,碳含量和石墨微晶网面宽度(La)不断增加。超过1900℃后La增加显著。由径向4点的Raman结果可知,皮层的G峰强度比芯层强(1700℃时G峰位置无变化)。然而,2500℃热处理后,从纤维芯向皮层的G峰位置从1 588.2移至1582.2 cm-1处,G峰和D峰的半峰宽强度分别从46.3降至28.9cm-1,46.9降至36.7cm-1处。不同热处理后皮芯微观结构的差异与氮元素的脱除和温度有密切关系。低于1900℃时,由于较短的分散通道和较高的皮层温度,接近皮层的氮元素更易脱除,这导致随温度的升高,皮层比芯层的La增加缓慢。超过1900℃时,氮元素完全脱除,皮层石墨化快于芯层,导致皮芯差异加剧,皮层呈较高的模量和芯层呈较高强度。     

PAN预氧结构径向调控及其对炭纤维性能的影响（英文）

预氧纤维结构及其分布直接影响炭纤维的性能,优化预氧结构径向分布,构建预氧结构与炭纤维力学性能的关系,对制备高性能炭纤维具有指导意义。本文采用固体核磁、光学显微镜、热失重等表征方法,通过温度控制预氧化反应速率,研究预氧化反应速率对纤维结构和径向分布及炭纤维性能的影响。结果表明,整体提高预氧化反应速率,在促进预氧结构向纤维更深区域扩展的同时,也导致含氧结构增加较多,热稳定性降低,影响炭纤维的性能;而提高预氧化初期反应速率,有效改善预氧结构径向分布的同时纤维含氧结构增加较少,热稳定性提高,最终炭纤维的石墨化程度和致密性较高,力学性能显著提升,获得一种具有高强中模特征、直径相对较大的炭纤维。     

高温处理对中间相沥青基炭纤维结构与热导率的影响（英文）

采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman)及X射线衍射仪(XRD)考察了中间相沥青基炭纤维在不同热处理温度下的结构及形貌变化,并采用3ω法对经不同温度处理后的纤维热导率进行了表征。结果表明,中间相沥青基炭纤维的石墨化度与热导率随着热处理温度的升高而增大,经3000℃处理后纤维的热导率最高可达518W/m·K。此外,还探讨了中间相沥青基炭纤维结构、热导率及热处理温度之间的相互关系,发现中间相沥青炭纤维的石墨化过程存在3个阶段,在不同温度区间内分别对应石墨微晶的生长和取向。     

高模量PAN基炭纤维结构的表征与性能分析

利用扫描电镜(SEM)、广角X射线衍射(WARD)、小角X射线散射(SAXS)、拉曼(Raman)光谱、X射线光电子能谱(XPS)等测试技术对热处理温度2400℃～3000℃的PAN基炭纤维的微观结构、表面形貌及化学组成进行了表征,分析了材料的微观组织结构与宏观性能的关系.结果表明:随热处理温度的升高,炭纤维的强度下降,模量升高,表面化学活性降低.表现在乱层石墨间距d002逐渐减小,平均微晶尺寸La、Lc逐渐增大,石墨化程度不断提高,微孔缺陷尺寸增大,大孔洞所占总微孔缺陷比例增加,PAN基炭纤维表面的O/C值降低.     

PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究

采用场发射扫描电子显微镜、广角X射线衍射、元素分析、高分辨透射电子显微镜对东丽T700S、T700G和东邦UT500 3种碳纤维的表面和断面形貌、化学组成及石墨微晶等微观组织结构进行了表征,比较了这3种碳纤维的微观结构差异,并分析了这些差异对力学性能的影响。结果表明,T700G碳元素含量较高,氮元素含量较低,它的石墨微晶尺寸较大,取向度较高,这是它比T700S拉伸模量高但断裂伸长率低的原因;UT500的表面结构与断面结构不如T700S和T700G好,微晶尺寸也较小,但它的直径略细,而且石墨微晶内(002)晶面排列比T700S和T700G更规整,导致UT500的综合力学性能略优于T700S和T700G。     

热处理温度对PAN基炭纤维结构的影响

利用SEM观察了3种PAN基炭纤维（TX－63、T300、T700）热处理前和经不同温度热处理后的表面形貌，并测试了其石墨化度、Lc和d002值，以研究热处理温度对炭纤维表面和内部微观结构的影响。结果表明：TX－3、T300炭纤维表面本身有不规则沟槽、凸起和缺陷等，T700炭纤维表面比较圆滑，随着热处理温度升高，PAN基炭纤维的表面形貌发生明显的变化，尤其是2700℃处理后炭纤维表面的褶皱相对较浅而小；石墨化度与Lc随热处理温度升高而增大，d002值则呈减小趋势，说明热处理温度对炭纤维的表面和内部结构有显著影响。     

炭化过程中牵伸处理对PAN基炭纤维力学性能的影响

引言一般认为炭纤维的杨氏模量和抗拉强度主要是取决于内部炭层的排列和缺陷分布。在生产纤维的各阶段对纤维施加适当的张力可提高其结构的有序排列。     

高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构研究（英文）

本文研究了高导热(500～1 127 W·m~(-1)·K~(-1))中间相沥青基炭纤维的微观结构特征,初步建立了微观结构特征与导热性能之间的影响关系。通过XRD、拉曼光谱、SEM和TEM对纤维的显微结构进行了系统表征,结果表明,辐射状的纤维结构热导率较高,并伴随着劈裂状结构特征。La对热导率的影响比Lc更加显著,纤维截面上的R值可作为评估热导率的重要参照指标。在本研究所涉及的纤维中,石墨微晶尺寸越大,微晶缺陷越少,石墨微晶片层沿纤维轴向取向度越好,则炭纤维的热导率越高。     

沥青基中空炭纤维的力学性能和结构

一、引言以前的研究表明,细纤维(5.4μm)和C形炭纤维的力学性能与普通圆形纤维相比得到改善。本研究从各向同性和中间相沥青制得中空炭纤维(HOLCF),考查了这些纤维的力学性能和结构。     

WAXS/SAXS,SAXS二维全谱拟合研究PAN基炭纤维预氧化、炭化过程中微观结构演变（英文）

利用广角(WAXD)和小角散射(SAXS)的方法,对PAN基炭纤维制备过程不同阶段纤维的微晶和微孔进行研究。WAXD结果表明,在炭化过程中,微晶尺寸变大,并沿着纤维轴方向取向。SAXS结果表明,制备过程过,新微孔进一步形成,微孔逐渐沿纤维轴排列,微孔的平均长度增大。基于传统分析方法,确立微孔为具有择优取向的圆柱状,其尺寸大小成log正态函数分布的散射模型,对二维散射图进行全谱拟合分析。将此方法运用于炭纤维,得出该模型可以准确描述微孔的相关特征。     

生物炭纤维的形成机制（II）—PAN基热氧稳定化纤维的炭化与活化研究

以聚丙烯腈共聚纤维制取了生物炭纤维(BCF)。考察了炭化活化过程中活化剂、热处理参数对BCF结构、性能的作用以及纤维序态结构、化学结构与生物炭纤维吸附特性、力学性能、电性能间的内在关联。研究结果表明1）醋酸可作为活化剂,用于制备综合性能优异的BCF。2）BCF收率、力学性能、吸附特性、电性能等综合性能的变化与热处理温度、时间、活化剂的变化密切相关。3）BCF的化学组成,直径、取向度、微晶尺寸等形态、序态结构参数与BCF力学性能、吸附特性等使用性能的优劣具有密切关联,且均在500*#℃和活化前后出现不同的变化速率。重点控制这两个区域纤维结构变化速率有益于改善BCF的综合性能。     

生物炭纤维的形成机制（Ⅱ）——PAN基热氧稳定化纤维的炭化与活化研究

以聚丙烯腈共聚纤维制取了生物炭纤维（BCF）。考察了炭化活化过程中活化剂、热处理参数对BCF结构、性能的作用以及纤维序态结构、化学结构与生物炭纤维吸附特性、力学性能、电性能间的内在关联。研究结果表明：1）醋酸可作为活化剂，用于制备综合性能优异的BCF。2）BCF收率、力学性能、吸附特性、电性能等综合性能的变化与热处理温度、时间、活化剂的变化密切相关。3）BCF的化学组成，直径、取向度、微晶尺寸等形态、序态结构参数与BCF力学性能、吸附特性等使用性能的优劣具有密切关联，且均在500℃和活化前后出现不同的变化速率。重点控制这两个区域纤维结构变化速率有益于改善BCF的综合性能。     

PAN基碳纤维中硅的高温演变规律研究

在聚丙烯腈基碳纤维原丝制备的上油工序中引入了硅元素。采用直流电弧原子发射光谱(DC-Arc-AES)、电子探针显微分析(EPMA)、X射线光电子能谱(XPS)等研究了碳纤维中硅元素的高温演变规律。结果表明,随着热处理温度的升高,碳纤维中的硅含量逐渐减小,在1400~2000℃时含量减小幅度达到85%,纤维芯部和边缘的硅元素都在流失,硅系油剂的高温演变产物主要是SiO2。     

炭纤维/鳞片石墨/氰酸酯复合材料的导热和力学性能（英文）

为了改善纤维增强树脂基复合材料厚度方向(Z向)热导率和纵向(X向)压缩强度,通过向氰酸酯树脂中加入不同质量分数的鳞片石墨填料进行树脂基体改性,并与中国TG800炭纤维复合制备成炭纤维复合材料。研究了鳞片石墨/氰酸酯复合物固化前的流变性能,固化后的导热率、力学性能,以及炭纤维/鳞片石墨/氰酸酯复合材料的热导率和力学性能。结果表明,未固化鳞片石墨/氰酸酯复合材料的流变复数黏度随着鳞片石墨添加量呈指数型增加,随着形变量的变化表现出佩恩(Payne)效应,体现了鳞片石墨在树脂基体中的联通网络的形成和破坏过程;固化后复合材料的热导率随着鳞片石墨添加量的增加呈线性增加。当鳞片石墨添加量为10 wt%时,鳞片石墨/氰酸酯拉伸模量从2.9 GPa提高到4.3 GPa,提高了48%,热导率提高了100%,炭纤维/鳞片石墨/氰酸酯复合材料的Z向导热率提高了127%,复合材料纵向压缩强度提高了31%。     

PAN纤维预氧结构高温演变及其对热稳定性的影响

在惰性气氛条件下,将PAN预氧纤维在280~380℃进行热处理,通过固体核磁、元素分析、激光拉曼光谱、X射线光电子能谱及热重分析等方法研究了PAN预氧纤维在高温热处理过程中的结构演变及其对热稳定性的影响规律。结果表明:热处理过程中,PAN纤维内部发生了分子内环化、分子间环化、环结构及氧结构的重排等反应,随着热处理温度升高,环化程度加深,含氧结构减少;热稳定性研究表明,经过340℃处理的纤维结构规整度高,热稳定性较好。     

PAN基碳纤维随高温热处理的结构变化

一、序言有关PAN基碳纤维显微结构的研究已有不少,但都是关于结晶部分(石墨结构)的内容,涉及非晶体部分的内容却较少。本研究依据试样喇曼光谱的详细解析,获得存在于碳纤维中未组织碳部分的有关信息。着重研究了碳纤维进行热处理时,结晶部位与非结晶部位所产生的显微结构变化。     

炭纤维层间化合物的制备及其膨化（英文）

在浓硝酸溶液（13mol/dm^3)中，通过恒电流电解，成功地进行了中间相沥青和聚丙烯腈基两种炭纤维（MPCF，PANCF）的硝酸插层。虽经水洗和干燥后有部分被分解成残余化合物，但从其层间距增至0.78nm左右这一现象证实已形成了层间化合物。经急剧加热至100℃后，观察到了显著的形貌变化，单根纤维沿着纤轴被劈裂开，转变成一束微纤维。低结晶度PAN－CF经急热处理后，被观察到了这种膨化现象。对经2000℃左右处理的MPCF，在两个阶段，电解时CF的电势明显增加：1500℃处理的MPCF电解电势逐渐增加，而1150℃处理的MPCF，此值几无上升。     

PAN基炭纤维中sp2杂化的C-C原子键距与结构参数之间关系

利用Raman散射及X射线衍射方法，对不同炭化温度下制备的PAN基炭纤维样品进行了测试。根据Raman散射的测试结果，从Fitzer碳键键距出发，给出了PAN基炭纤维中sp^2杂化的C—C原子键距a0随炭化温度的变化规律。由各样品的X射线衍射测试结果，得到了各样品的结构参数（La、Lc、d002）。分析了sp^杂化的C—C原子键距a0随结构参数（La、Lc、d002）变化的原因。结果表明，C—C原子键距a0与石墨化程度有关，且随La、lc的增大及d002的减小C—C原子键距增大。     

近性能炭纤维力学性能与微观结构的关联性(英文)

炭纤维具有复杂的微观结构,使得不同炭纤维的微观结构和力学性能之间存在差异,特别是相近性能炭纤维之间的差异甚是微妙。本文采用万能材料试验机、X射线衍射、小角散射和拉曼光谱对炭纤维单丝样品进行了力学性能和微观结构的表征。结果表明,除SY300外,相近性能炭纤维的拉伸强度随d002和R的减小而增大,随Lc的增大而增大;对于同种原丝生产工艺的炭纤维,拉伸强度随微孔半径和密度的减小而增大。拉伸强度的离散可用Weibull模数进行表征,随微孔半径的减小而降低。根据实验数据采用Griffith (Irwin)公式估算得到的炭纤维拉伸强度比实测强度大,采用Mathematics和MATLAB软件对拉伸强度和微观结构数据进行了数值模拟,得到拉伸强度的估算公式,经采用其它研究者给出的T300炭纤维微观结构数据验证对比,得到的拉伸强度数据与测试数据相符。     

碳化过程中PAN基碳纤维结构与力学性能变化的研究

本工作采用连续式实验装置与方法,借助热重分析、密度分析、气相色谱、X射线衍射、俄歇能谱、金相显微镜与力学性能测试等技术,系统地研究了PAN热氧稳定化纤维在连续碳化过程中纤维结构与力学性能的变化关系,并对提高碳纤维力学性能的途径进行了探讨。研究结果表明:在碳纤维的形成过程中,纤维结构的变化与力学性能的变化密切相关;纤维结构中存在的序态结构的规整性与截面结构的均匀性将对碳纤维力学性能产生重要影响。