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。     

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。     

PAN纤维炭化过程中缺陷结构的温度效应

采用小角X射线散射(SAXS)方法研究了PAN纤维在炭化及石墨化过程中微孔缺陷结构随热处理温度的变化.由微孔结构散射形成的PAN基碳纤维SAXS散射花样经圆积分处理后为光滑曲线.使用一维散射曲线计算得到微孔结构均方回转半径、相对孔体积、孔隙率、比表面积结构参数随温度的变化规律.结果表明:随热处理温度提高PAN基碳纤维微孔结构变化分为三个阶段:400～700℃微孔体积变化(孔的融合)为主,形态变化为辅;700～1800℃微孔体积变化(孔的分裂与缩小)与形态变化(边缘复杂化)基本同步;而1800～2400℃微孔形态变化为主,体积变化为辅.     

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。     

PAN基纤维热处理过程中的时间效应

以聚丙烯腈(PAN)纤维为研究对象,采用固体13C核磁共振(Solid-NMR)、X射线衍射(XRD)及拉曼散射光谱(Ra-man)等测试手段对不同热处理时间制得的纤维样品以及最终PAN基炭纤维的结构进行了分析与研究,并建立起热处理过程中形成的特征结构与炭纤维结构的相关性。研究结果表明,纤维特征结构的生成会随着热处理时间的延长而增加,且此类特征结构会对PAN基炭纤维石墨片层结构的生成和发展起到影响作用,使得石墨片层结构当中sp2杂化碳的含量增加以及石墨微晶的尺寸增大。     

石墨化温度对炭纤维微观结构及其力学性能的影响

以通用型PAN基炭纤维为原材料，通过1800℃～3000℃连续高温石墨化处理，制备了不同性能的炭(石墨)纤维；采用SEM、XRD、RAMAN、元素分析仪、万能材料测试机等分析手段研究了石墨化温度对炭(石墨)纤维微观结构、元素含量、表面形态及其力学性能的影响。实验表明：随着热处理温度的提高，炭纤维中非碳元素(氮、氢)的含量逐渐减少而碳元素质量分数却从92．62％增加到99．99％；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，表现为石墨晶体层间距d。随处理温度的提升逐渐减小、d100和d110与La和Lc不断增大，纤维抗拉强度呈下降趋势、弹性模量呈上升趋势。     

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。     

炭纤维中微孔在模拟复合材料石墨化过程中的演变(英文)

将聚丙烯腈基炭纤维在石墨化炉中维持定长加热,以模拟炭/炭复合材料制备过程中炭纤维结构的变化,并采用小角X射线散射(SAXS)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)检测石墨化过程中的结构演变。随着温度的提高炭纤维中微孔的平均回转半径、长度、宽度、截面积和体积分数呈现先减小后增大的趋势,并在约2300℃出现极小值。炭纤维中孔隙尺寸的变化与炭层片的活动性密切相关。炭层的缩合和有序化导致孔隙率的减小,而炭层在更高温的簇状化导致孔隙尺寸的增大。     

聚丙烯腈凝胶纤维渗硼对炭纤维的石墨化过程的影响

对聚丙烯腈凝胶纤维进行渗硼处理所制炭纤维在1600～2400℃进行石墨化热处理,利用电感耦合等离子体光谱仪、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪和万能力学测试机对石墨纤维进行表征,研究了硼对其结构及性能的影响。结果表明,在石墨化温度范围内,随着温度的升高,炭纤维中的硼含量逐渐降低。硼在石墨化过程中以取代的方式进入到碳网内并在其中进行扩散,但因炭纤维中硼含量较低,其并未对微晶尺寸的生长产生影响,而明显提高了取向度,导致炭纤维的杨氏模量提高的同时,其拉升强度的降幅也显著降低。在达到相同模量的情况下,含硼炭纤维的石墨化温度可降低200℃。     

不同商品化聚丙烯腈基碳纤维的微观结构研究

利用X射线衍射对比研究了日本东丽、东邦和国产3种牌号聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的微观结构。通过分析不同牌号的PAN基碳纤维晶体结构与石墨晶体结构的区别,以及不同牌号的PAN基碳纤维力学性能与微观结构的关系,表明了引起PAN基碳纤维力学性能差异的主要因素为石墨化程度、内部缺陷、晶粒尺寸大小以及晶粒排列规整程度。