PAN基炭纤维径向结构高温演变机制及其与力学性能的关系（英文）

为了研究高温处理条件下炭纤维径向结构的演变规律及其对力学性能的影响,采用Raman光谱仪、元素分析仪、X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜和力学性能测试仪等表征方法,系统地对不同温度处理后的炭纤维进行结构解析。结果表明,由于纤维在高温处理过程中热解与重组同时发生,炭纤维径向结构的变化可分为两个阶段。第一阶段为处理温度低于1 700℃时的径向结构差异随处理温度升高而减小的阶段,此阶段热裂解对径向结构差异的影响起主导作用。第二阶段为处理温度高于1 700℃的径向结构差异随处理温度升高而增大的阶段,此阶段结构重组对径向结构差异的影响起主导作用。受径向结构差异的影响,炭纤维拉伸强度随处理温度的升高,呈现先增大后减小的趋势,经1 700℃处理后的炭纤维径向结构趋于均质,拉伸强度达到最大。依据炭纤维石墨化程度与炭微晶大小的关系,炭纤维皮层炭微晶为纤维径向上最规整、最完整的碳结构,因此炭纤维拉伸模量主要取决于皮层大尺寸且高取向的炭微晶。     

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.     

CCF300炭纤维的微观结构分析

利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、小角X射线散射(SAXS)和Raman光谱研究了不同性能的国产CCF300炭纤维的断面形貌、微晶结构和内部微孔参数.结果表明:三种炭纤维的断面均呈颗粒状特征.相对于CCF300 (B)和CCF300(C)炭纤维,CCF300 (A)炭纤维的石墨微晶堆砌更紧密,微孔含量更低,微孔沿纤维轴向取向角较小,且石墨微晶的有序度较高,因此后者具有更高的拉伸强度和模量.强度相当的CCF300 (B)和CCF300 (C)炭纤维,CCF300(B)模量稍高的原因在于前者的平均微孔尺寸较小,取向角也较小,且其石墨堆砌厚度和有序度(即石墨化程度)略大于后者.     

热处理温度对聚酰亚胺基炭纤维结构性能影响

以聚酰亚胺(PI)纤维为前驱体,经800~2800℃连续高温处理,制备出不同性能的聚酰亚胺基炭(石墨)纤维。采用元素分析、SEM、HR-TEM、Raman、纤维强力仪、电阻率仪等分析手段研究热处理温度对炭纤维(CF)元素含量、结构形貌、力学性能、传导性能等方面的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,聚酰亚胺基炭纤维中碳含量从78.97%(800℃)提高到99.72%(2 800℃),非碳原子含量降低;聚酰亚胺基炭纤维表面缺陷数目增加且尺寸增大。同时,纤维的微观结构也从二维乱层石墨结构向有序的三维层状结构发展,表现为石墨化程度的提高及石墨微晶尺寸的增大;炭纤维拉伸强度先增加后降低,最大拉伸强度924.4 MPa,断裂伸长率降低,电阻率减小,热导率增加,2 800℃石墨化处理后纤维热导率为228.4 W·m-1·K-1,是800℃处理后的50.4倍。     

利用感应加热技术进行炭纤维连续石墨化

采用感应加热技术研制出炭纤维连续高温热处理专用设备石墨化炉，最高使用温度3000℃。对PAN基炭纤维T300进行了连续石墨化处理，热处理温度为2000℃～3000℃，制备出力学性能相当于日本东丽公司M40的石墨纤维，验证了该设备的技术可行性。考察了热处理温度对炭纤维力学性能、密度和直径的影响，用SEM观察了石墨化前后炭纤维表面微观形态的变化。结果表明：随热处理温度的提高，炭纤维的密度增大、直径减小，弹性模量升高，而抗拉强度下降。经3000℃高温热处理后，纤维的弹性模量高达450GPa。     

冷拉程度对聚丙烯微孔膜结构和性能的影响

采用熔融拉伸法制备聚丙烯微孔膜,研究了不同冷拉程度对微孔膜微观结构和性能的影响。采用差示扫描量热仪、扫描电镜、毛细管流动分析仪测试后发现,随着冷拉拉伸比的增大,微孔膜拉伸曲线塑性平台减弱,对应差示扫描量热曲线中由于热定型过程结晶带来的吸热平台减弱。冷拉拉伸比为15%时,微孔膜具有较好的微观结构和透气性,冷拉拉伸比达到60%时,微孔分布和排列变差,孔径变小,孔隙率降低,透气性变差。热处理过程中由于Tie链结晶形成的不稳定结构在冷拉后转变为连接分离片晶的架桥,随着冷拉拉伸比的增大,这部分转变越彻底,但同时也带来片晶结构崩溃,导致孔径减小,性能变差。     

PVDF中空纤维抗污染膜的制备与表征

采用干—湿相转化法制备Fe(Ⅲ)-Cu(Ⅱ)/PVDF中空纤维抗污染膜,讨论了不同添加剂量的变化及不同的工艺参数对膜性能的影响.通过扫描电子显微镜、水通量测定仪、机械强度测定仪、接触角测定仪分别对膜的微观结构、水通量、抗污染性、机械强度、接触角进行联合表征,分析不同因素对膜性能的影响趋势.结果表明:随着PVDF粉加入量、无机掺杂物质的量、添加剂的量的增加,膜的纯水通量均呈降低趋势,但截留率、拉伸强度、亲水性、及抗污染性能均随变化而增大;随着膜制备的工艺参数——纺丝速度、凝固浴温度的增加,膜的纯水通量增大,而截留率呈下降趋势,膜的拉伸性能得到提高;随着膜制备的工艺参数——干程距离的增大,膜的纯水通量和截留率分别呈现出增大和减小的趋势,膜的孔隙率和拉伸强度及断裂伸长率先增大后减小.     

Experimental research of carbon fiber filament＇s fracture toughness based on focus iron beam

以商用碳纤维T300和T800为研究对象,采用聚焦粒子束（FIB）技术精确刻蚀了碳纤维单丝的缺陷,分析了碳纤维单丝的断裂性能。通过单丝拉伸试验获得碳纤维拉伸强度,并利用扫描电镜观察试件的断裂截面,基于镜像方法和Griffith断裂理论获得拉伸强度与镜像半径之间的关系,进而对碳纤维单丝的断裂韧性KⅠC进行了估算。结果表明：采用FIB刻蚀缺陷的方法估算得到的T300碳纤维单丝的KⅠC为1.32MPa.m1/2,与采用试剂溶解方法得到的数据（1.25MPa.m1/2）相比较,两者相差小于10%。     

PPC/PHB吹塑薄膜的相形态、力学和阻隔性能研究

采用挤出吹塑成型制备PPC/PHB复合材料薄膜,研究薄膜的微观形态与力学性能和阻隔性能之间的关系。结果表明,薄膜的拉伸强度随着PHB含量的增大逐渐增大,薄膜的纵向拉伸强度比横向拉伸强度高,横向直角撕裂强度比纵向略高,这与薄膜沿拉伸方向发生了一定的取向有关;薄膜的水蒸气渗透系数和氧气渗透系数均随着PHB含量的增大而不断减小,表明其阻水及阻氧性能得到提高;当PHB含量为30%(质量分数)时,与纯PPC相比,复合材料薄膜的氧气阻隔性能提升了约5倍。分别采用Fricke和Nielsen理论模型预测PPC/PHB复合材料薄膜的阻隔性能,探究影响PPC/PHB共混薄膜阻隔性能的作用机制,可为高阻隔性能的PPC/PHB复合材料制备提供理论指导。     

HA改性短切碳纤维/PMMA生物复合材料力学性能的研究

采用原位合成与溶液共混的方法,制备了纳米羟基磷灰石(HA)-短切碳纤维（C_f）/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)生物复合材料, 研究了HA对HA-C_f/PMMA复合材料的力学性能和微观结构的影响. 采用万能材料试验机测试了HA-C_f/PMMA复合材料的力学性能,用X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和红外吸收光谱仪(FT-IR)分析测试手段对材料的组成结构及断面的微观形貌等进行了测试和表征. 结果表明,采用卵磷脂改性后的HA纳米片与PMMA基体的界面结合性能得到了有效改善,显著提高了复合材料的力学性能;随着HA含量的增加,HA-C_f/PMMA复合材料的弯曲强度、拉伸强度、压缩强度、弯曲模量和拉伸模量均呈先增大后减小的趋势. 当HA含量在8wt%时,复合材料的力学性能最佳.     

AZ31B镁合金管材热态内压成形性能的研究

为了研究变形镁合金AZ31B管材的热态内压成形性能,通过单向拉伸测试了不同温度和应变速率下其力学性能的变化,通过胀形实验研究了温度对内高压成形性能的影响,以及相应变形条件下微观组织的变化.实验结果表明:在20～300℃时,AZ31B的屈服强度和抗拉强度随着温度的升高而降低,总伸长率随着温度的升高而提高,均匀伸长率随着温度的升高先增大后减小;当应变速率在0.001～0.1s-1时,屈服强度和抗拉强度随应变速率的增大而升高,总伸长率随着应变速率的增大而减小,均匀伸长率随着应变速率的增大先增加后减小;当温度在20～250℃时,镁合金管材的极限胀形率随温度的升高先增大后减小,在175℃时达到最大值.微观组织观察表明,175℃下不完全动态再结晶和孪晶两种微观组织的出现是使镁合金管材极限胀形率提高的主要原因.     

基于聚焦粒子束技术的碳纤维单丝断裂韧性实验研究

以商用碳纤维T300和T800为研究对象, 采用聚焦粒子束(FIB)技术精确刻蚀了碳纤维单丝的缺陷, 分析了碳纤维单丝的断裂性能。通过单丝拉伸试验获得碳纤维拉伸强度, 并利用扫描电镜观察试件的断裂截面, 基于镜像方法和Griffith断裂理论获得拉伸强度与镜像半径之间的关系, 进而对碳纤维单丝的断裂韧性 K_IC进行了估算。结果表明: 采用FIB刻蚀缺陷的方法估算得到的T300碳纤维单丝的 K_IC 为1.32 MPa·m1/2, 与采用试剂溶解方法得到的数据(1.25 MPa·m1/2)相比较, 两者相差小于10%。      

不同晶体取向中间相沥青基带状炭纤维的制备与表征

以中间相沥青为原料, 采用不同长宽比的矩形截面喷丝板, 通过控制熔融纺丝时的收丝速率, 制得了具有不同截面尺寸和晶体取向的高定向中间相沥青基带状炭纤维, 并研究了热处理温度和喷丝孔截面尺寸对所得炭纤维结构和性能的影响。结果表明, 喷丝孔的形状和收丝速度对炭纤维的晶体取向有显著影响。当收丝速度一定时, 随着喷丝孔截面长宽比的减小, 带状炭纤维截面碳晶体层片由褶皱平行取向结构向辐射状垂直取向结构转变。随着热处理温度的升高, 所制得炭纤维的室温轴向电阻率显著减小, 热导率相应增大, 力学性能明显提高; 随着收丝速率的增大, 带状炭纤维室温轴向电阻率变化不大, 但对其力学性能有显著影响。当喷丝孔截面长宽比和纺丝速度分别为30:1和75 m/min 时, 2500℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为2.53 GPa和234.77 GPa。     

连续炭纤维增强ABS界面性能研究

选用国产的连续炭纤维长丝与ABS树脂分别采用常规共混法、薄膜层叠法、溶液浸渍法三种工艺制备了连续炭纤维增强ABS热塑性树脂复合材料。通过对复合材料的力学性能、热性能、动态黏弹性及微观形貌的研究,分析了ABS热塑性树脂基复合材料的制备工艺对界面性能的影响。结果表明:不同制备工艺中复合材料随炭纤维含量的增加其各项力学性能都不断提高,当炭纤维含量为60%(质量分数)时力学性能达到最高,但不同制备工艺导致复合材料界面性能差异较大,影响其力学性能的增幅。溶液浸渍法制备的复合材料树脂对炭纤维的浸润性良好,其最大拉伸强度和层间剪切强度分别达到1100MPa和71MPa,较常规共混法复合材料性能提高约80%;其损耗角正切仅为常规共混法复合材料的40%;界面性能提高使复合材料的耐热性能提高。     

H80薄板拉伸性能的尺寸效应

为了研究薄板拉伸性能的尺寸效应及其产生的微观机制,对晶粒尺寸相似但厚度不同的H80薄板试样进行了拉伸试验和显微硬度试验.通过建立晶界区域强化模型和晶粒间的弱弱组合变形机制,研究了薄板的厚度尺寸、晶粒尺寸及显微硬度分布对拉伸力学性能的影响.结果显示:强度指标值和塑性指标值均随厚度尺寸的减小而降低,呈现越小越弱的尺寸效应现象,但强度指标和塑性指标的变异因子值却呈现越小越强的相反规律.薄板的横向硬度均值随厚度尺寸的增大而增大,而横向硬度值的变异因子却随厚度尺寸的增大而减小.随厚度尺寸的减少,晶界区域所占百分比的减少和单个晶粒所占百分比的增加是产生拉伸性能尺寸效应现象的根本原因.此外,显微硬度分析表明:易变形区域形成的概率随厚度尺寸的减小而增大,易变形区域的集中变形是引起薄板试样过早断裂的原因.     

聚芳醚砜醚酮酮及其炭纤维复合材料的力学性能

合成了聚醚砜醚酮酮(PESEKK),研究了纯树脂的热、力学性能。制备了炭纤维和聚醚砜醚酮酮(炭纤维是标准T300)复合材料,着重研究了此新型复合材料的力学性能。结果表明,随着复合材料中PESEKK树脂质量比增加,T300CF/PESEKK复合材料的拉伸强度、弯曲强度、拉伸模量和弯曲模量逐渐增加。其中弯曲强度和弯曲模量增加的幅度比拉伸强度和拉伸模量增加的幅度更大。当PESEKK质量分数为60%左右时,复合材料的综合力学性能达到最佳值。因此聚醚砜醚酮酮可作为增强炭纤维力学性能的基体树脂。     

高频脉冲电镀镍钴合金拉伸强度的研究

研究了高频脉冲电镀Ni-Co复合镀层的拉伸力学性能、显微硬度及镀层表面的微观形貌。结果表明,随着频率的增加,沉积层表面更加致密、均匀,显微硬度增大,镀层的弹性模量及拉伸强度随脉冲频率增加而先增大后减小,并在80 kHz处取得最大值。     

SiOC陶瓷涂层改善炭纤维的抗氧化性能（英文）

以乙烯基改性的硅氧烷作为溶胶凝胶前驱体在炭纤维表面制备出SiOC陶瓷涂层。采用扫描电镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱、拉曼光谱以及热重分析对涂层进行表征。炭纤维的力学性能通过单丝拉伸强度测试研究。结果表明,无定型的Si OC涂层由SiCxO4-x结构单元和自由碳相组成。SiOC涂层可改善炭纤维的抗氧化性能。涂层脱落与表面裂纹导致纤维拉伸强度降低以及weibull模量增加。与未涂层纤维相比,具有200nm涂层厚度的炭纤维初始氧化温度可提高150℃,其单丝拉伸强度为2.32 GPa。     

聚丙烯腈基炭纤维中微孔的演变规律

利用二维小角X射线散射技术(SAXS),结合纤维孔结构解析理论及分形原理得到了炭纤维形成过程中纺丝、预氧化、低温和高温炭化等四个阶段样品的微孔结构信息。结果表明:原丝中孔隙沿纤维轴向择优取向,呈长梭状,其长轴与短轴的平均尺寸分别为24.3nm和19.2nm,长径比为1.27。遗留到预氧化阶段的原丝孔洞使得预氧化纤维出现高达1.85的长径比极大值,这可能与原丝线性结构向预氧丝耐热梯形结构转化有关。炭化阶段微孔尺寸迅速减小,长轴、短轴分别达到3.56nm和2.85nm左右,长径比也减小至1.24。分形状态研究表明:表面分形维数DS值介于2.42～2.88之间,且随工艺的进行逐渐增大,低温炭化阶段变化幅度较大,说明各级产品在微观结构上越来越复杂,亦证明低温炭化是促进炭纤维微观结构转变的重要的工艺段。     

二维小角X射线散射法研究PAN基炭纤维内部微孔结构

利用二维小角X射线散射(2D-SAXS)方法,对PAN基炭纤维全部方位角进行微孔结构的研究.样品选取自制炭纤维MHS及日本东丽公司T300,T800产品.结果表明:MHS炭纤维微孔尺寸介于T300与T800之间,长径比t值小于T300和T800.T300中较小微孔(<9.1 nm)和较大微孔(>15.4nm)的含量大于MHS,T800含有大量的微孔短轴小于2nm的小尺寸微孔.MHS炭纤维的界面复杂程度较T300大,而小于T800.炭纤维内部存在由微孔散射导致的密度波动,其波动振幅F值和波动密度n值按MHS、T300和T800依次递减;电子密度波动越小,表明微孔结构越规整,T800的孔结构最规整.炭纤维内各个取向上均有一定结构的微孔分布,但总体上呈现沿纤维轴方向的定向排列.