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1、本文以PAN基碳纖維為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行1300~2300℃的高溫?zé)崽幚?,制備出一系列具有不同組成結(jié)構(gòu)的碳纖維,并研究了其組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)和微晶結(jié)構(gòu)的高溫演變規(guī)律。選取了其中具有特定組成和結(jié)構(gòu)的碳纖維,研究了其熱氧化性能的差異,探討了碳纖維的組成和結(jié)構(gòu)與其熱氧化性能的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明:
隨著熱處理溫度的升高,碳纖維中的N元素含量不斷減少,C元素含量不斷上升,1900℃之后,碳纖維的組成基本不再變化;碳纖維的石墨化度不斷增
2、加,由于N元素脫除的影響,碳纖維的石墨化度在1900℃處存在拐點(diǎn);而碳纖維的微晶尺寸La和Lc則不斷增加,說明石墨微晶在各個(gè)方向均不斷增長(zhǎng),而石墨片層間距d002不斷減小,石墨片層堆疊逐漸致密。
選取經(jīng)過不同溫度高溫?zé)崽幚恚哂胁煌M成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的碳纖維,研究了熱氧化性能的變化。通過空氣氣氛下的熱重分析發(fā)現(xiàn),碳纖維的氧化反應(yīng)與溫度密切相關(guān),在較低溫度下(500℃),碳纖維在空氣氣氛下存在一個(gè)較明顯的增重過程,隨后產(chǎn)生失重,稱
3、之為初始氧化;而在較高溫度下(600℃),纖維質(zhì)量隨時(shí)間延長(zhǎng)持續(xù)減少,稱之為氧化失重階段。
在初始氧化階段,碳纖維中的碳與空氣中的氧結(jié)合生成-OH、-C=O和-COOH等基團(tuán)并存在于纖維中,從而引起纖維的增重。N含量較高的碳纖維,其初始氧化增重也較為明顯。由于形成的含氧官能團(tuán)在500℃下較為穩(wěn)定,隨氧化時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng),N含量較高的碳纖維失重較少。N元素含量較高的碳纖維,由于N對(duì)碳六元環(huán)共軛結(jié)構(gòu)的破壞,含N的環(huán)結(jié)構(gòu)中碳原子
4、的活性越高,碳與氧的結(jié)合能力較強(qiáng)。對(duì)于N含量基本為0的碳纖維,碳纖維的石墨結(jié)構(gòu)對(duì)初始氧化階段碳與氧的結(jié)合影響不大。
在氧化失重階段(600℃),由于纖維中N的存在增加了碳與氧的反應(yīng)活性,因此N含量較高的碳纖維氧化失重速率較高;石墨結(jié)構(gòu)較完整的碳纖維,其氧化失重速率較低。在氧化失重過程,碳纖維石墨化程度降低,微晶尺寸減少。N含量較高的碳纖維,氧化后石墨化程度下降較明顯,而微晶尺寸變化則較微小;石墨結(jié)構(gòu)較完整的碳纖維,在氧化后
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