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。     

炭纤维开发应用的最新领域

炭纤维开发应用的最新领域陈光大（吉林化学工业集团试剂厂，吉林１３２０２１）ＰＡＮ基炭纤维自１９９０年起经历４年的萧条之后，今年出现明显转机。日产１２Ｋ通用型炭纤维供不应求，售价从去年的２８美元／Ｋｇ涨到３２～３５美元／Ｋｇ。美国市场销售的大丝束（ＨＥ...     

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。     

硅化处理对炭纤维石墨化度的影响

对炭纤维在真空炉中进行2100℃硅化处理.用SEM分析了炭纤维在硅化处理前后表面形貌的变化,利用能谱测定了其硅化处理后的成分变化并加以分析,用X射线衍射分析了热处理和硅化处理后的炭纤维石墨化度的变化.结果表明:处理后的炭纤维出现富C的SiC表层,内部为含有SiC的C芯,并伴随有类球状SiC颗粒的形成.沿炭纤维径向分布的SiC含量呈现梯度分布,其芯部的SiC含量为2.46%(质量分数,下同),靠近表层的SiC含量增加到7.53%,表面的SiC含量达到13.25%;纤维表面的类球状颗粒为含C的SiC颗粒,其中SiC的含量为30.55%.在2100℃热处理的炭纤维石墨化度几乎为0,而在2100℃硅化处理的炭纤维石墨化度高达48.5%.     

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。     

炭纤维生物膜的形成机制——I、炭纤维表面特性对微生物固着化的影响

采用对比方法，借助化学分析、表面形态分析及生物相容性表征技术等系统地研究了以活性炭纤维、表面改性活性炭纤维作为细胞固着化载体的表面特性及对微物固着的影响。重点考察了纤维表面官能团、比表面积、润湿性等表面特性对微生物固着化的影响。研究结果表明：（1）炭纤维表面的吸附特性对微生物的初期固着起着重要的作用，具有高比表面积的活性炭纤维更易于微生物固着并挂膜。（2）炭纤维表面润湿性与某些酸性官能团的适量增加，有益于载体表面微生物的固着。（3）炭纤维尤其是活性炭纤维较市售有机高分子材料具有更加优异的生物相容性，前者的微生物固着化速率是后者的4倍－16倍。     

高频加热装置连续化制备石墨纤维的研究

采用高频感应快速加热法，配以专门设计的石英管反应器，制成了连续生产石墨纤维的全套装置，能满足生产石墨纤维的各种工艺参数，例如温度2800℃以上。升温时间2s，走丝速度400m/h，停留时间10s。此法可生产出优质的石墨纤维，其力学性能达到了日本东丽公司M40产品的水平。它与传统的石墨化电炉相比，有投资少、能耗低、升温快、温度均匀、成本低的优点，具有广阔的应用前景。     

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。     

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。     

炭纤维/ABS树脂复合材料的导电性研究

研究了炭纤维长度、填充量及表面处理条件下对炭纤维／ＡＢＳ树脂复合材料导电性的影响以及材料导电性同环境温度的相关性。结果表明复合材料的电阻率随着纤维填加量的增多而降低。纤维长度越长,复合材料导电性越好。纤维表面处理后,复合材料电阻率增大,相同纤维填充量下,表面处理时间越长,材料电阻率越大。温度对复合材料电阻率的影响随纤维填加量的增多而减少。而且,纤维表面状态的改变对复合材料的电阻率－温度关系有较大影响。     

超高模量聚乙烯纤维复合材料的制备与性能研究

研制了用于UHMPE纤维表面处理的连续化学处理装置.将经过处理的UHMPE纤维与环氧树脂体系制备成复合材料.用复合材料的短梁剪切强度评价纤维处理效果.测定了复合材料的压缩性能、弯曲性能和冲击性能(包括平面冲击、缺口与非缺口冲击).结果表明,UHMPE纤维复合材料的韧性极好,虽然其刚度较低,压缩强度与弯曲强度较差.这种复合材料的失效模式主要是纤维与基体的脱粘、分层、纤维屈曲和大变形,而不是纤维的断裂.     

碳纤维抗拉模量的非虎克特性

本文测定了两种聚丙烯腈基和一种各向同性沥青基碳纤维的模量应变曲线,发现它们的抗拉模量随应变的变化并不成线性关系。其模量应变曲线可以分为两个区域:在低负荷区,三种碳纤维的模量均随着应变的增加而增加。在高负荷区,聚丙烯腈基碳纤维抗拉模量随着应变的变化很小,且两者成线性关系;各向同性沥青基碳纤维的模量则随应变的增加而有所下降。为了对碳纤维非虎克特性进行解释,在本文中引入了原纤解皱潜力及其数密度分布函数的概念。     

石墨纤维阳极氧化表面处理的研究

本文研究了PAN基石墨纤维在四种铵盐电解液中阳极氧化表面处理的工艺条件.用SEM和XPS技术分析了处理前后纤维表面形态的变化,通过复合材料的层间剪切强度(ILSS)对表面处理前后石墨纤维与环氧树脂之间界面粘结强度的改善进行了评价.     

阳极氧化表面处理对碳纤维性能的影响

通过对国产PAN基碳纤维和沥青基碳纤维阳极氧化处理,得到了两种纤维的性能(σ_f,Cox/Cgr,表面形态)随阳极氧化处理条件变化的关系.实验结果表明,阳极氧化能较大地增加碳纤维表面的化学活性和物理活性.碳纤维经阳极氧化后,表面形成①—C—OH,②—C—OH=O,—O—C—O—,③—C=O,④R—CO₃—四种类型的含氧官能团,随阳极电位的升高,表面含氧官能团含量增加.阳极处理后的碳纤维,在其表面形成了微细缺陷,缺陷的形状因纤维的种类不同而不同.阳极电位是影响碳纤维性能最关键的电极参数.     

高强度、高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试方法的研究

利用INSTRON-6025电子万能试验机，对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板进行了拉伸性能测试。结果表明，不同试样尺寸、不同铺层层数和试验加载方式、试样装卡对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板拉伸性能测试结果有影响；试样尺寸的改变、铺层层数的不同对拉伸强度性能有影响。     

气相处理对碳纤维表面及其复合材料性能的影响

本文对气相表面处理碳纤维的新工艺进行了系统研究。处理后的碳纤维强度、模量不下降,且其表面能、表面化学官能团含量明显增加;表面微晶结构变小,与环氧树脂复合后,层间剪切强度(LLSS)提高47%左右。本文还对复合材料断口的形态结构进行了分析,说明这种表面处理方法能有效改善碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)的界面粘结。     

PAN基碳纤维植入物的表面研究

运用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）、拉曼光谱（ＲＳ）和Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）等手段，研究了３种不同碳含量的ＰＡＮ－基碳纤维植入犬体前后的表面结构及电子态的变化，实验结果表明，碳化温度越高，碳纤维的石墨化程度越高，ＰＡＮ－基碳纤维植入犬体一年半后，其表面石墨化程度均降低，表面原含有的多种有机基团基本未变，相对含量发生了明显变化，Ｃ＝Ｎ基团部分转变为Ｃ－Ｎ基团，这说明机体组织并非简单的物理附着在碳纤维表面，     

超高模量聚乙烯纤维-碳纤维混杂复合材料冲击性能的研究

本工作以平面Charpy冲击、缺口与非缺口Charpy冲击全面地研究了本实验所制备的超高模量聚乙烯(UHMPE)纤维-碳纤维混杂增强环氧复合材料的冲击性能。同时根据试样在冲击过程中的载荷-时间曲线以及试样在冲击破坏后的形貌对该类混杂复合材料的冲击破坏过程与冲击破坏模式进行了分析。结果表明,将UHMPE纤维与碳纤维相混杂,复合材料的冲击性能呈现出明显的正混杂效应。