PAN基碳纖維組成結(jié)構(gòu)高溫演變規(guī)律及其對熱氧化性能的影響.pdf

1、本文以PAN基碳纖維為研究對象，對其進行1300～2300℃的高溫熱處理，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;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方向均不斷增長，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)過不同溫度高溫熱處理，具有不同組成結(jié)構(gòu)特點的碳纖維，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)量隨時間延長持續(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在500℃下較為穩(wěn)定，隨氧化時間的進一步延長，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。對于N含量基本為0的碳纖維，碳纖維的石墨結(jié)構(gòu)對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