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。     

高频感应加热制备PAN基高模量炭纤维的研究

采用高频感应快速加热连续石墨化装置，制备ＰＡＮ基高模量炭纤维（ＨＭＣＦ）。结果表明，此法可以制备高模量炭纤维。当原料纤维抗拉强度在３．５ＧＰａ，模量在２３０ＧＰａ以下时，采用石墨化温度为２６００℃，可以得到与由传统石墨化炉相类似的结果。并对炭纤维的力学性能和结构参数进行了研究。     

PAN基炭纤维经济规模分析

聚丙烯腈（Polyacrylonitrile缩写为PAN）基炭纤维市场需求旺盛,但由于我国PAN基炭纤维生产企业规模小、产品性能低,产品占领不了市场,企业效益欠佳。通过经济规模方法的分析,就国内现有技术状况和两个样本生产线,用工程技术法对PAN基炭纤维的经济规模进行分析,为我国炭纤维产业化发展提供参考。分析表明,国内PAN基炭纤维经济规模的起点为200t/a-275t/a。     

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。     

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。     

T300和T700炭纤维的结构与性能

利用SEM、元素分析、XRD和激光Raman光谱研究了T300和T700的形貌、化学组成和微观结构参数。结果发现:T700炭纤维表面光滑,而T300炭纤维的表面有大量的沟槽。表明前者是用干喷湿纺原丝,后者是用湿法纺丝原丝。两种纤维的断面均呈现出颗粒状特征。T700的含碳量高于T300,含氮量低于T300。两者的微观结构参数(d002、La和Lc)差异佐证了T700的炭化温度高于T300。T700的择优取向角Z比T300小2.3°,是石墨微晶致密有序排列的反映,因而使其体密度比T300高2.27%,空隙率低7.54%。所以致密化赋予了T700较高的拉伸强度。     

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。     

PAN基稳定化纤维的微观结构

引言目前,PAN纤维被认为是制造碳纤维最重要,最有前途的原丝。PAN经220～330℃的热处理,改性成为具有不燃性的稳定化纤维,并且在高温炭化处理中也不会受到重大破坏,继而转变为有良好力学性能的碳纤维。碳纤维的稳定化过程包括相邻分子间的氧化交联反应和腈基环化反应。通常认为稳定化的速度随含氧气氛的稳定化温度和时间而增大。大多数化学家和纺织科学家已把兴趣集中在稳定化期间化学反应是怎样发生的及PAN纤维物理性能的变化情况。本文主要讨论有关稳定化纤维的形态及微观结构。     

PAN基ACF的结构表征-XPS与元素分析

采用Ｘ射线光电子能谱与元素分析研究了聚丙烯腈基活性炭纤维的表面与本体的元素组成,相对含量以及表面含氧官能团的类型。实验结果表明：ＰＡＮ基ＡＣＦ的主体元素组成为Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｈ。ＡＣＦ的表面Ｃ含量大于本体平均Ｃ含量,表面氧含量与Ｏ／Ｃ比小于本体氧含量与Ｏ／Ｃ比。其中Ｃ元素大多以类石墨中性碳形式存在,本体与表面碳氧基团则以羟基、醚基为主并伴有一定数量的羰基、羧基、内酯基等。实验表明可采用ＸＰＳ技术定量研究ＡＣＦ表面官能团的组成、类型、变化与数量。     

热处理对PAN基碳纤维结构的影响

本文用X-射缦衍射技术,通过计算机进行背底扣除、劳伦滋-偏光因子校正,分峰,然后计算在不同温度热处理的PAN基碳纤维及沥青碳纤维的晶粒尺寸(L_a、L_ē),L_ē表示乱层结构中C轴方向层面堆砌的平均厚度,L_a表示乱层中网平面的平均直径,二者均随热处理温度的增加而增加。同时,还求取了PAN基纤维的芳构化指数随温度的变化,可用该指数表征PAN纤维热处理过程中环化的程度。     

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。     

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)。     

高强度炭纤维微观结构分析及力学性能的比较

采用元素分析、SEM、XRD、Raman光谱等分析方法,研究了高强度PAN炭纤维T800H和T1000G的元素含量、表面形貌及微观结构参数等因素.结果发现,T1000G的含碳量高于T800H,含氮含量低于T800H;T1000G的表面光滑,而T800H的表面存在沿纤维轴方向的沟壑,表明前者的原丝可能是用湿纺纺丝,后者则可能是干喷湿纺纺丝.从两者的断面上均能看到颗粒状结构,T1000G比T800H的颗粒要小而紧凑;与T800H相比,T1000G的微晶尺寸(Lc、La)较大,取向性较好,微晶层间距(d002)和孔隙率(Vp)均较小,且表现出较好的致密性和均质性.因此T1000G具有较高的抗拉强度.     

Effect of microstructure on the modulus of PAN-based carbon fibers during high temperature treatment and hot stretching graphitization

The changes of microstructure and Young’s modulus of PAN-based carbon fibers during the high temperature treatment (2400–3000 °C, stretching 0%) and hot stretching graphitization (0–5%, 2400 °C) were compared. It was observed that although the Young’s modulus of the fibers could be increased by the two graphitization techniques, the microstructure parameters determined by X-ray diffraction were different for the same value of modulus. The relationship between microstructure and modulus showed that Young’s modulus not only depended on the preferred orientation, but also related to the crystallite size (L _c and L _a ) and shape (L _a /L _c ). On the other hand, it was found that crystallite size of the fibers was mainly affected by heat treatment temperature and the crystallite shape could be altered by hot stretching graphitization. Further investigation indicated that the fibers were composed of turbostratic carbon structure even after heat treated to 3000 °C, which could be detected from the absence of 101 and 112 peaks in X-ray diffraction pattern, and the interlayer spacing (d₀₀₂) and preferred orientation (Z) were only 0.3430 nm and 14.71°, respectively.     

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。     

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。     

抗菌聚丙烯腈基活性碳纤维的研究

为了有效解决活性碳纤维在使用过程中易受到细菌污染的问题,扩大活性碳纤维的应用领域,进行了抗菌聚丙烯腈基活性碳纤维的研究.采用研磨燃烧法制备了纳米级的电气石粉,将电气石粉和银系抗菌剂按照一定比例混合后掺入纺丝液中,经纺丝、碳化和活化制备出聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACF).采用BET法、DFT法、抑菌圈法和负离子测定仪对活性碳纤维的孔径分布、抗菌性能和负离子释放量进行了研究.实验结果表明:这种复合型抗菌活性碳纤维的孔径结构和吸附性能都有所改变,在电气石和银粒子的共同作用下抗菌性显著提高,经多次使用后性能几乎不变,负离子的释放量大于2000个/cm3.     

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.     

Effect of microstructure on the mechanical properties of PAN-based carbon fibers during high-temperature graphitization

The change of microstructure of PAN-based carbon fibers has been studied as a function of heat-treatment temperature (1,800–2,800 °C, stretching 0%) by Raman spectroscopy and X-ray diffraction. With increasing heat-treatment temperature, both the crystallite size (L _a, L _c) and the degree of preferred orientation (g) increase, while the crystallite interlayer spacing (d ₀₀₂) decreases. The values of both R _s and R _c decrease, while R _s decreases more quickly. It implies that the degrees of skin-core of the carbon fibers increase. The relationship between mechanical properties and microstructure of the variants is also explored in detail.