熱牽伸石墨化對粘膠基碳纖維微觀結構與力學性能的影響.pdf

1、碳纖維具有許多優(yōu)良的性能，高強高模、低密度等，廣泛應用于各種不同領域，按生產原料不同一般分為聚丙烯腈基、粘膠基、瀝青基碳纖維，并大規(guī)模投入生產。各種碳纖維由于在強度模量以及其他性能的差異廣泛應用于不同領域。
　　其中粘膠基碳纖維原料來源廣泛，熱穩(wěn)定性好導熱系數(shù)低，在隔熱、耐燒蝕等等方面有不可替代的作用，但一般性能的粘膠碳纖維其強度和模量普遍低于PAN基和瀝青基碳纖維，限制了其在其他方面的應用，另一方面國外已能制備出高性能粘膠碳纖維

2、，國內比較落后。因此，研究制備高強高模粘膠基碳纖維是很有意義的。
　　高強度和高模量的碳纖維一般具有獨特的結構，通常有高的取向度，合適的微晶尺寸，高密度低孔隙率，較少的缺陷等特點。研究表明高溫石墨化處理，能使纖維的石墨化程度提高，微晶尺寸增多增大，擇優(yōu)取向性更好，從而提高了楊氏模量。通常纖維結構與性能的關系取決于溫度、牽伸應力和處理時間。因此，本文的工作目的是，探索牽伸石墨化對粘膠基碳纖維的微觀結構與力學性能的影響，通過理論模型對

3、熱牽伸石墨化與力學性能的關系進行定量分析。
　　研究方法:通過控制石墨化溫度、牽伸應力、處理時間等三個參數(shù)的大小，按照一定組合條件對粘膠基碳纖維進行石墨化處理。利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、廣角X射線衍射(XRD)等儀器，對纖維的表面橫斷面形貌、微晶尺寸、體密度、力學性能等性能進行了表征，分別分析了熱牽伸石墨化對粘膠基碳纖維結構與性能的影響。
　　研究結果表明，熱牽伸石墨化處理后的粘膠基碳纖維的拉伸強度從1.016GPa

4、增加到1.785GPa，提高了75.7％;楊氏模量從46GP增加到173GPa，提高了278％;隨著纖維在石墨化爐中的處理時間增加，纖維的楊氏模量略微增加，而纖維的拉伸強度呈明顯減小趨勢，減小至0.89GPa。FESEM照片顯示牽伸石墨化之后，纖維表面粗糙程度大量發(fā)展，產生明顯的褶皺紋理，以及長的“溝槽”或“山脊”狀;橫斷面形貌呈現(xiàn)顆粒狀，牽伸石墨化后，顆粒狀體積增大，相鄰排列更加緊湊。XRD圖譜分析發(fā)現(xiàn)，纖維的微晶尺寸隨著石墨化溫度的

5、升高，明顯增加，層面間距減小，密度增大，孔隙率略微減小，取向度大幅提高，由56.7％提高到86.9％;低石墨化溫度下當牽伸應力增加，微晶尺寸、取向度略有提高，層間距減小不多，而在高溫度下，隨著牽伸應力的增加，微晶尺寸增加，取向度大幅增大，層間距減小。隨著石墨化時間的延長，Lc、La均呈增大趨勢，密度增大孔隙率顯著減小，擇優(yōu)取向度提高最后趨于平緩。均勻應力模型和剪切斷裂理論分析表明，熱牽伸石墨化通過增大纖維取向度來提高了粘膠碳纖維的楊氏模