PAN碳纤维在高温石墨化过程中密度的变化规律

研究了在一定牵伸与走丝速度下,经不同石墨化温度(2000～2800℃)的处理,聚丙烯腈基碳纤维密度的变化规律,同时研究了密度与碳纤维的力学性能、微观结构参数之间的关系.结果发现:在其它条件一定的情况下,碳纤维的密度随热处理温度的升高而增大,碳纤维的抗拉强度则随碳纤维密度的增大呈近线性减小,而抗拉模量随碳纤维密度的增大呈近线性增大.此外,碳纤维的微晶取向度与微晶尺寸(Lc、La)均随其密度的增大而增大.     

牵伸石墨化对石墨纤维结构和力学性能的影响

借助XRD和力学测试研究了不同石墨化温度下牵伸率（0％～2．5％）对PAN基石墨纤维结构和力学性能的影响。结果表明：在2400℃、2700℃和3000℃石墨化温度下，分别采用1．25％，1．50％和2．20％的牵伸率，可获得的抗拉强度最大值相应为3．1GPa、2．55GPa和2．25GPa。在相同的石墨化温度下与未牵伸的样品相比，抗拉强度提高了10％-20％。弹性模量亦随牵伸率的增大而增加，在牵伸率为2．50％时，弹性模量上升15％。同时，石墨微晶尺寸Lc（3．612nm～7．094nm）和La（12．909nm～24．400nm）及取向度逐渐增大，而d002，（0．3465nm～0．3418nm）逐渐减小。微观结构的改善是石墨纤维抗拉强度和弹性模量提高的主要原因。     

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.     

高模碳纤维细观力学分析

将碳纤维视为由微晶和无定型碳所构成的二相复合材料,以Mori-Tanaka方法研究了碳纤维微观结构对弹性模量的影响。对四种高模碳纤维M35JB、M40JB、M46JB及M55JB的微观量进行了测量。微晶的长细比由XRD实验测得,碳纤维石墨化程度由拉曼光谱分析得到。影响碳纤维弹性模量的因素包括:微晶的长细比、体积分数及取向度。通过计算细观力学模型得到了四种高模碳纤维的微晶体积分数。研究发现:碳纤维石墨化程度越高,微晶体积分数越大。碳纤维弹性模量随着微晶取向度、体积分数和长细比的增加而增加,且对这三种因素做了比较,微晶取向度和体积分数对弹性模量的影响高于微晶长细比对弹性模量的影响,只有当微晶取向度接近100%时,其对弹性模量的影响才有可能被微晶长细比超越。微晶取向度和体积分数增加的最初阶段,取向度对弹性模量的影响较大,随着两影响因素的增加,取向度对弹性模量的影响最终被体积分数超越。     

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。     

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。     

中间相沥青基碳纤维石墨化度对Cf/Al界面损伤的影响

以不同石墨化度的中间相沥青基碳纤维为基底磁控溅射构筑Cf/Al界面,研究了不同石墨化度Cf/Al界面微观结构的演变,并与聚丙烯腈碳纤维比较揭示了Cf/Al界面的损伤机制。结果表明：随着石墨化处理温度的提高中间相沥青基碳纤维的石墨微晶尺寸增大、取向度和石墨化度提高,Cf/Al界面的反应程度降低和碳纤维损伤减少。不同石墨化度Cf/Al界面的损伤决定于初始缺陷的数量和后续裂纹在碳纤维内部的增殖和扩展。在2400℃和2700℃石墨化处理使裂纹更容易在中间相沥青基碳纤维石墨微晶片层间扩展,去除镀层后纤维损伤比聚丙烯腈碳纤维分别高5.19%和3.70%;在3000℃石墨化处理后,化学惰性较大的中间相沥青碳纤维使界面反应产生的缺陷数量大幅度减小,去除镀层后纤维的损伤比聚丙烯腈碳纤维低1.85%。     

聚合物共混技术制备酚醛基纳米碳纤维

以聚丙烯（PP）为热解高聚物、酚醛树脂（PF）为碳纤维前躯体进行共混，采用熔融纺丝法将共混体系纺丝，对得到的纤维拉伸之后碳化去除去聚丙烯，得到酚醛基纳米碳纤维。采用红外光谱、扫描电镜等对PP／PF共混体系的相容性及微观结构进行分析，研究了纺丝牵伸比、降温母粒含量对纳米碳纤维形态的影响；用x射线衍射技术对纳米碳纤维的微晶结构进行研究。结果表明：随着降温母粒加入量的增加，酚醛树脂的分散尺寸增大；随着牵伸比的增加，纳米碳纤维的直径减小。XRD测试分析发现PP／PF共混纤维600℃碳化处理后已经开始产生一些石墨微晶，随碳化温度的升高，微晶长大，碳结构开始更趋规整、有序。     

高强度、高模量聚丙烯腈基碳纤维的微晶取向研究

用X射线衍射研究了高强度(T系列)与高模量(M系列)聚丙烯腈基碳纤维的微观结构,结果表明两类碳纤维具有不同的结构特征:(1)高模量碳纤维的晶胞尺寸较接近于石墨结构;(2)高模量碳纤维的晶粒尺寸和取向度大于高强度碳纤维;(3)高模量碳纤维的二维层状堆砌比高强度碳纤维排列规整,并存在两种不同晶胞尺寸的六方晶系石墨结构。取向度增大,使晶粒尺寸增大,层状堆砌趋于规整,有利于提高拉伸模量。存在适度的层状紊乱堆砌和不完善微晶以及缺陷,有利于提高拉伸强度。     

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。