强磁场对聚丙烯腈预氧化纤维炭化性能的影响EI北大核心CSCD

利用不同条件的强磁场对经过280℃预氧化的聚丙烯腈(PAN)纤维进行处理并制成炭纤维,采用X射线衍射、单丝拉伸、BET、小角X射线散射分别对炭纤维的晶体结构、拉伸强度、表面缺陷、内部孔洞取向进行了表征。结果表明,强磁场处理使炭纤维的晶体结构趋于完整,表面缺陷减少,内部孔洞取向角变小,从而提高了炭纤维的拉伸强度。     

降低炭纤维强度离散度的强磁场处理法

采用8T、12T、16T的磁场分别对经过280℃处理的预氧化炭纤维进行处理,对制得的炭纤维采用小角X射线散射(SAXS)、氮气等温吸脱附、单丝拉伸、扫描电子显微镜(SEM)进行测试。结果表明磁场处理使炭纤维内部大孔洞的百分比含量分别降低了21%、14%、11%,外部孔洞的数量分别降低了9.80%、13.47%、15.10%。采用Weibull统计方法测得炭纤维的平均强度分别提高了3.4%、5.7%、8.4%,强度离散度系数分别降低为0.326、0.308、0.306,炭纤维单丝强度趋于均匀化。     

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.     

阳极氧化对炭纤维电镀镍的影响

采用阳极氧化法对炭纤维进行连续表面改性,并在其表面进行电镀镍处理,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析和酸碱滴定等方法研究了炭纤维阳极氧化前后的物理化学结构及对炭纤维电镀镍镀层的影响。结果表明:经过阳极氧化处理后,炭纤维表面的总酸性官能团提高约10倍;炭纤维拉伸强度降低先慢后快;阳极氧化可以改善镀层的生长过程,使镍镀层的生长由(V-W)模式转变为(F-M)模式,并且促使镀层晶粒细晶化,N i晶粒尺寸由14.5nm降为11.2nm,提高了镀镍炭纤维的抗氧化性以及镀层与炭纤维的结合力,阳极氧化后镀镍的炭纤维初始氧化温度较镀镍炭纤维提高了50℃。     

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.     

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。     

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。     

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。     

聚酰亚胺改性炭纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备及表征

以均苯四甲酸(PMDA)和4,4’二氨基二苯醚(ODA)为原料合成聚酰胺酸(PAA),并以此为上浆剂对炭纤维实施上浆处理,通过热酰亚胺化的方法在炭纤维表面形成聚酰亚胺(PI)上浆层,用于提高炭纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)界面结合强度。通过扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪对PI上浆炭纤维表面进行分析,结果表明在炭纤维表面形成一层连续且均匀的PI涂层,且经PI处理后的炭纤维表面高活性碳含量比未处理炭纤维提高了9.72%。相比于未处理CF/PPS复合材料,PI上浆CF/PPS复合材料的层间剪切强度、压缩强度和压缩模量分别提高了26.39%、26.02%和19.64%。     

聚丙烯腈基炭纤维的扫描隧道显微镜研究

用扫描隧道显微镜研究聚丙烯腈基炭纤维的表面结构以及经过电化学腐蚀、拉伸试验和高温处理后的表面变化。未处理的纤维表面由沿纤维轴向排列的宽度不等的带状细纤维组成。随着放大倍数增加，表面显得粗糙，细纤维上分布着许多小晶粒，另外，还发现了构面炭纤维的细纤维呈螺旋结构环绕、沿轴向伸长，经电化学腐蚀后，纤维内部仍存在螺旋结构，经过拉伸的炭纤维。在其临近裂的区域里，观察到扩展的孔洞及周围不均匀区。     

CF/Epoxy复合材料的界面自组装

提出了一种新的炭纤维表面改性方法——分子自组装, 即在表面金属化的炭纤维上进行有机分子的自组装。表面增强拉曼散射光谱 (SERS)分析证实了含氮或含硫的芳杂环化合物化学吸附在银的表面, 并形成了平躺取向的自组装膜结构。X射线光电子能谱 (XPS)测试进一步证实了自组装膜通过S或N原子和Ag形成配位共价键吸附在炭纤维表面。表面经组装改性后的炭纤维和环氧复合后界面粘结强度得到了不同程度的提高, 揭示了界面区域微观结构与性能的关系。      

电化学表面处理PAN基炭纤维的表面性能研究

以NH4HCO3为电解质对PAN基炭纤维进行了连续表面处理，并利用X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)和自动电位滴定等方法，系统研究了电化学氧化反应后炭纤维表面石墨微晶尺寸的变化规律，推导出微晶宽度(La)、微晶厚度(Lc)与电流密度(J)之间存在线性天系式；同时，经电化学氧化处理后，炭纤维表面含氧官能团的摩尔分数增加8．54％，表面吸附水的摩尔分数增加5．34％，使其表面由憎液性变为亲液性，这有利于提高炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层问剪切强度(ILSS)。     

炭纤维/聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能

分别采用热空气氧化后经钛酸酯偶联剂处理炭纤维(CF)和氩等离子体处理聚四氟乙烯(PTFE)分散液包覆炭纤维制备CF/PTFE复合材料,研究这两种CF表面改性方法对复合材料拉伸性能及摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对试样拉伸断面与磨损表面进行观察和分析。结果表明,热空气氧化后经偶联剂处理炭纤维可使CF/PTFE复合材料的拉伸强度与断裂伸长率分别提高33%和82%、磨损率下降44%,氩等离子体处理PTFE分散液包覆炭纤维可使复合材料的拉伸强度与断裂伸长率分别提高49%和100%、磨损率下降56%。     

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℃。     

聚丙烯腈原丝在强磁场条件下的微观结构分析

聚丙烯腈(PAN)原丝微观结构中存在的缺陷极大会影响炭纤维的强度。采用0T、8T、12T、16T的强磁场对原丝进行处理,研究了磁场对原丝的结晶取向度、总取向度、结晶尺寸、结晶度等微观结构的影响。结果表明,磁场对纤维的晶区和非晶区都有取向作用,其取向度都随磁场强度的增大和磁场作用时间的延长而增加。磁场还能促使非晶区向晶区转变,使结晶尺寸、结晶度和密度均得到提高。     

微注射成型高密度聚乙烯-线性低密度聚乙烯共混物的微结构及力学性能

为提高线性低密度聚乙烯（LLDPE）的拉伸强度和模量,扩大其应用领域,将三种不同相对分子质量的高密度聚乙烯（HDPE）分别与LLDPE共混,通过微注射成型技术制备HDPE-LLDPE制品。综合利用DSC、广角X射线衍射（WAXD）、小角X射线散射（SAXS）和拉伸性能测试研究了共混物在微注射成型过程中的结构演化及力学性能。拉伸测试结果表明,与纯LLDPE相比,HDPE-LLDPE的拉伸强度和模量随HDPE分子量的增加而增加。微结构分析结果显示,随HDPE分子量的增加,HDPE-LLDPE制品的分子链和片晶取向度增大、结晶度增加,且制品内形成了较多取向的Shish-Kebab晶体结构。通过分析微结构的表征结果,解释了HDPE-LLDPE的拉伸强度和模量显著提高的原因。     

氧化石墨烯/炭纤维复合增强体的制备及对环氧树脂复合材料界面性能影响

为了改善炭纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,以对硝基苯胺为原料,通过两步重氮化还原反应,在炭纤维表面共价接枝氧化石墨烯,制备出氧化石墨烯/炭纤维(GO/CF)复合增强体。研究了反应机理,并对改性前后炭纤维表面的化学结构、微观形貌、表面粗糙度、单丝拉伸强度和炭纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析。结果表明,接枝GO后,炭纤维表面粗糙度增加了188%,单丝拉伸强度提高了13. 2%,断裂伸长率增加12. 1%,界面黏结强度提高了80. 2%。     

苯酚电聚合膜修饰炭纤维表面对 环氧基复合材料性能的影响

将连续炭纤维束用自制的空气梳分散成单丝状长带后, 通过采用循环伏安法的电化学方法将单体苯酚在炭纤维表面聚合成膜, 对炭纤维进行表面修饰, 以提高复合材料中炭纤维与树脂基体的界面粘结性能。红外光谱分析表明, 苯酚电聚合膜能够增加炭纤维表面的羟基、 醚键等活性官能团, 从而提高炭纤维与环氧树脂基体的界面粘结强度。与未进行表面修饰的炭纤维增强环氧树脂复合材料相比, 以聚苯酚膜修饰的炭纤维单丝带增强的环氧树脂基复合材料横向拉伸强度最大提高了90%, 纵向拉伸强度最大提高了45%, 层间剪切强度最大提高了110%。实验也表明, 将炭纤维束分散成炭纤维单丝带后能够更有效地增强复合材料的各项力学性能。      

电化学阴阳极交变处理对碳纤维表面组成和微观结构的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)方法,尝试将电化学阴阳极交变技术应用于碳纤维表面处理,研究了电化学阴阳极交变处理对PAN基碳纤维表面组成和微观结构的影响。结果表明,电化学阴阳极交变处理使碳纤维表面沟槽加深,可以增加碳纤维与基体的锚固作用;表面C含量降低而O含量升高,表面含氧官能团中COOH含量明显增加,而C-OH含量减少,增大了碳纤维的表面活性,使其更有利于与基体以化学键的形式结合;同时电化学阴阳极交变处理碳纤维过程中阴极产生的氢能渗入碳纤维内部,使碳纤维晶体结构的微观尺寸发生变化,(002)晶面间距d(002)增大,堆垛厚度Lc增大,使得碳纤维直径增大。处理后层间剪切强度(ILSS)明显增加以及部分组别碳纤维的拉伸强度(Tensile strength,TS)增加。     

单丝拉伸断裂法探究上浆剂改性炭纤维与聚碳酸酯的界面黏结性

为了探究不同上浆剂对炭纤维/聚碳酸酯复合材料界面黏结性的影响,采用自制水性聚碳酸酯乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯乳液与聚乙烯乳液等上浆剂对炭纤维进行表面改性。采用红外光谱(IR)和热重-质谱联用(TG-MS)仪分析上浆剂的化学结构;采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)与热重分析仪(TG)等研究上浆改性炭纤维的表面结构。为了量化地分析炭纤维与聚碳酸酯的界面剪切强度,采用单丝拉伸断裂法得到界面剪切强度。结果表明,水性聚氨酯乳液上浆改性后的炭纤维与聚碳酸酯的界面剪切强度最高(29.19 MPa),这是由于聚氨酯中含有较多的氨酯键,可与树脂形成较多的氢键。相对而言,水性自制乳液与聚醋酸乙烯酯乳液涂层后的炭纤维与聚碳酸酯之间只有物理吸附作用,因此界面黏结性略弱。