沥青基中空炭纤维的力学性能和结构

一、引言以前的研究表明,细纤维(5.4μm)和C形炭纤维的力学性能与普通圆形纤维相比得到改善。本研究从各向同性和中间相沥青制得中空炭纤维(HOLCF),考查了这些纤维的力学性能和结构。     

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。     

中间相沥青熔融纺制异形纤维的研究

用热缩聚和催化缩聚两种不同工艺制备的中间相沥青及自行设计的五种喷丝板,熔融纺制出中空、条形、Y 形和圆形截面的沥青纤维。实验证明,沥青熔体的出口膨胀性是影响异形纤维特别是中空纤维纺丝成形的重要流变学参数。这一参数随中间相沥青的性质和熔体温度而变化,在较高温度下,沥青熔体的出口膨胀性减小,使得所纺制异形纤维截面的异形度降低。X 射线衍射分析结果表明,不同形状的喷丝板因其不同的当量直径,在纺丝时对熔体产生不同的剪切作用;当量直径越小,剪切作用越强,沥青分子沿纤维轴的取向度越高,因此可使其炭纤维的力学性能提高。     

高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析

中间相沥青基炭纤维具有低电阻、高导热特性,是目前最具发展前景的功能型导热、散热材料,但是国内对其微观结构和性能的研究报道较少。对国外高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行了分析,同时将实验室研发的不同截面形状中间相沥青基炭纤维进行比较。研究结果表明中间相沥青基炭纤维具有的高导热特性源于其内部三维有序堆积的类石墨层状结构和较为完整生长的石墨晶体。热处理温度越高,其类石墨晶体生长越完善,层片取向程度越高。与圆形截面辐射状结构中间相沥青炭纤维相比,带状截面炭纤维有效解决了劈裂问题,其石墨片层间距为0.337nm,层片堆积高度达到26.77nm,轴向热导率高于800W/（m.K）。     

中间相沥青可溶组分的结构表征

用１Ｈ／１３Ｃｎ．ｍ．ｒ．联合解析的方法分析表征了澄清油中间相沥青和乙烯渣油中间相沥青甲苯可溶组分（ＴＳ）和甲苯不溶吡啶可溶组分（ＴＩ－ＰＳ）的平均结构特征,并给出了满足平均结构参数的平均结构模型。为研究中间相沥青的形成机理以及调制合适的纺制高性能炭纤维的原料－中间相沥青提供了结构信息     

喷丝板结构对中间相沥青炭纤维径向结构及性能的影响

采用不同长径比、孔径及新型结构的喷丝板制备中间相沥青炭纤维,研究了喷丝板结构对中间相沥青炭纤维径向结构及性能的影响,利用SEM和XRD对中间相沥青炭纤维的径向结构进行表征。结果表明,大的长径比与小的孔径有利于提高中间相沥青在喷丝板中流动时受到的取向作用,得到的炭纤维径向辐射结构明显,新型结构的喷丝板有效利用了挤出涨大效应,降低了取向作用,得到的中间相沥青炭纤维具有无序型径向结构。随着长径比的增加,炭纤维微晶层间距d002逐渐减小,微晶厚度Lc逐渐增加,当长径比L/D=2时,炭纤维径向结构为无劈裂的辐射型,具有更高的力学性能。     

纺丝用中间相沥青的有效制备途径

一、前言高质量的中间相沥青是高性能沥青炭纤维的前驱体,因而在高性能沥青炭纤维的制备过程中,中间相沥青的调制是最关键的一个环节.由于以上原因,在碳材料的研究领域中,有关沥青和中间相的学术研究一直非常活跃.在历届国际碳会议上都有大量关于沥青,中间相和炭化方面的文章发表.与此同时,我们还看到,每一种高性能沥青炭纤维产品的开发成功,都伴随着许多中间相沥青调制方面的专利问世.纺丝用中间相沥青要求具有理想的分子组成和结构,以使其在随后的纺丝过程中表     

中间相沥青基条形炭纤维的制备与性能

用石油系和萘系中间相沥青熔融纺制条形纤维，经不熔化与炭化处理后，制成条形炭纤维，条件炭纤维容易制备，纺丝时形成的分子取向度较高，较薄的壁厚降低了不熔化温度，缩短了不熔化时间，分子取向度的提高和纤维中缺陷的减少有产地改善了它的力学性能。     

煤直接液化残渣制备中间相沥青炭纤维

中间相沥青炭纤维性能优异,但是高成本限制了它的大规模使用。尝试以煤直接液化残渣为原料制备中间相沥青炭纤维。一方面为开发低成本中间相沥青炭纤维提供原料;另一方面为煤直接液化残渣的高附加值利用拓宽了途径。通过热缩聚工艺得到中间相沥青,经过纺丝、预氧化和炭化制备中间相沥青炭纤维,验证煤直接液化残渣制备中间相沥青炭纤维的可行性。研究了中间相含量、软化点和挥发分含量对中间相沥青可纺性的影响。结果表明,以煤直接液化残渣为原料制备的中间相含量在70%以上、软化点高于300℃的中间相沥青具有较好的可纺性,纺制的炭纤维直径约为15μm,拉伸强度达到1 500 MPa,拉伸模量150GPa。     

中间相沥青表征研究进展

中间相沥青是光学各向异性的芳香类碳氢化合物的聚集体,是一种重要的炭材料前驱体。中间相沥青的性质表征及分析对中间相沥青及其衍生产品的制备、质量调控及应用具有重要意义。中间相沥青的分子结构、分子量及分布的有效测定有助于掌握反应机理和控制产品质量,聚集态结构直接决定着炭纤维和其它衍生炭材料的性能,中间相沥青的流变性是炭纤维研制和生产过程中最重要的参数。本文综述了中间相沥青性质表征方面的研究进展,重点介绍了中间相沥青分子量、聚集态结构、流变性方面的表征方法及结果,最后展望了中间相沥青表征的研发前景。     

Structure–property relationships for high thermal conductivity carbon fibers

Previous work at Clemson University has shown that ribbon-shaped mesophase pitch-based carbon fibers graphitized at only 2400°C can develop thermal conductivities comparable with those of commercial round-shaped pitch-based carbon fibers graphitized at temperatures above 3000°C. The thermal and electronic transport properties (i.e. thermal conductivity and electrical resistivity) of ribbon-shaped carbon fibers produced at Clemson University are being studied. In addition, the structure of these fibers is being analyzed by electron microscopy and X-ray diffraction techniques. This paper will discuss the relationships between processing conditions, fiber structure and fiber properties.     

中间相沥青纤维制备高导热炭材料的研究

利用中间相沥青纤维中沥青分子的高度择优取向和适度的热塑性热压制备高导热块体炭材料. 对比研究了经不同氧化处理的带形及圆形中间相沥青纤维热压所得炭材料的传导性及力学性能. 结果表明: 相对圆形纤维来说, 由于带形中间相纤维具有更高的纤维轴向取向度和纤维之间更高的接触面积, 故其热压所得材料具有更高的密度和传导性. 经260℃氧化的带形纤维热压所得炭材料的密度、抗弯强度、电阻率及热导率分别达到了2.18g·cm^-3、118.4MPa、1.13μΩm和717W/m·K.     

大直径中间相沥青纤维纺制时的剪切速率

考察了大直径中间相沥青纤维熔纺过程中中间相沥青在喷丝板微孔区内的流动特性及剪切速率。随熔纺温度及挤出流量的增加,中国相沥青在喷丝板微孔区内剪切速率相应增加。熔纺时控制了挤出流量和牵伸速率的良好匹配,获得了丝径均匀的大直径中间相沥青炭单丝。两种中间相沥青在剪切速率和由其纺制获得纤维的离散系数方面的差异,归结为常压与加压齐聚反应后中间相沥青在本性上的差异。     

Texture studies of carbon and graphite tapes by XRD texture goniometry

Novel mesophase pitch-based carbon and graphite tapes have been developed, in which the graphite basal planes are aligned predominantly either parallel or perpendicular to the tape surface. The XRD texture goniometer has been used to quantifiably characterise the orientation of the graphite layers in these novel materials to provide a correlation between processing parameters, structural orientation and physical properties. The pole figures of the carbon and graphite tapes clearly show the arrangement of the graphitic crystalline structure within the tapes which can be directly correlated with the textures as observed in transverse cross-sections in the SEM. X-ray texture analyses of the as-spun mesophase pitch tapes indicate that they have better initial preferred orientation along the tapes compared to as-spun circular fibres. Additionally, the tapes can be made to have a texture in which the graphite layers are largely orientated parallel to the tape surface which may make them more graphitisable materials for thermal management applications.     

Morphological structure study of pitch fibre surfaces by scanning tunnelling microscopy: influence of the mesophase content

The surface morphology of pitch fibres with different mesophase contents was studied by scanning tunnelling microscopy (STM) and the results were related to their mechanical properties. The tensile strength and modulus increase with the mesophase content and correspondingly the surface structure becomes more anisotropic. Inversely, the STM method can also be used to evaluate the precursor mesophase content of a pitch-based carbon fibre.     

沥青基高取向带状炭纤维的制备及表征

以萘系中间相沥青为原料, 通过熔融纺丝、氧化稳定化、炭化和石墨化处理制得了表面光洁平整的高取向带状纤维, 采用红外光谱仪、元素分析仪、X射线衍射仪、拉曼光谱、扫描电子显微镜和偏光显微镜对带状纤维的组成、形貌和微观结构进行了表征. 研究结果表明: 带状沥青纤维氧化稳定化过程中生成的羧基、羰基、醚等含氧官能团在随后炭化处理过程中消失; 带状沥青纤维截面的平均宽度和厚度约为1.6mm和18μm, 经炭化和石墨化处理后收缩至1.2mm和9μm; 随热处理温度的升高, 带状炭纤维(002)晶面的衍射峰逐渐变强, 其晶体尺寸逐渐变大; 与炭化处理纤维相比, 石墨化纤维晶体结构更加完整, 沿纤维主表面的取向程度更高.