原絲改性對碳纖維結構與性能的影響.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展和節(jié)能意識的不斷提高，碳纖維越來越成為國防和民用領域不可或缺的關鍵材料，其中因為聚丙烯腈基碳纖維的綜合性能尤為突出，而得到廣泛應用。高品質的碳纖維必須具備高的抗拉強度和抗拉模量，含碳量高，纖維內部孔隙少，結構缺陷盡可能的少等特點。為了制備高性能的碳纖維，除了改善預氧化、碳化和石墨化技術外，對聚丙烯腈原絲進行改性也成為了提高碳纖維性能的手段。
　　 前人用高錳酸鉀、NiSO4、COSO4等溶劑對原絲進行浸漬改

2、性，研究發(fā)現(xiàn)這些改性劑降低了預氧化溫度，緩和了預氧化放熱，提高了碳纖維的性能。同時，這些改性劑會帶入金屬離子，一部分在碳化或者石墨化時會逐漸從纖維中逸出形成孔洞，另一部分則留在纖維中成為雜質，降低了纖維的力學性能，因此提出非金屬硼作為改性劑。在高溫熱處理過程中，硼能取代碳并和碳形成固溶體，催化石墨化。硼的擴散固溶作用能彌補纖維中的晶格缺陷，促進纖維中晶體的生長和石墨片層的有序化，使得碳纖維和石墨纖維的強度和模量都有所提高。這些結論是研究

3、者使用硼浸漬碳纖維后再石墨化得出的。
　　 硼酸對聚丙烯腈原絲進行浸漬，一方面原絲纖維是線性結構，相比碳纖維的交聯(lián)網狀結構，硼酸能更容易深入到纖維內部，另一方面硼的氧化物覆蓋在纖維表面能抑制表皮的氧化，在預氧化階段，有利于氧向纖維內部擴散。
　　 因此本文選用硼酸對聚丙烯腈原絲進行間歇式預氧化、碳化和石墨化。借助元素分析(EA)，X射線衍射(XRD)，紅外分析(IR)，掃描電鏡(SEM)等表征手段和纖維體密度，力學性能測

4、試，研究了硼的浸漬對原絲結構、預氧化碳化過程及纖維結構與性能的影響。結果表明:在原絲浸漬階段，硼能進入到原絲的內部，但只是物理吸附，在浸漬過程中不改變原絲結構，原絲對硼的吸附經過班厄姆方程擬合后基本符合吸附規(guī)律且硼能提高原絲的力學性能;在預氧化過程，通過DSC和DMA研究分析，硼鈍化了纖維的氧化反應，促進了環(huán)化反應，有利于均質預氧化，同時硼能提高預氧化纖維的力學性能;在碳化及石墨化過程中，通過XRD研究分析，碳纖維的層面間距減小了，由沒