預(yù)氧化碳化工藝對(duì)電紡PAN基碳纖維結(jié)構(gòu)性能的影響.pdf

1、碳纖維具有高比強(qiáng)度，高比模量等優(yōu)異的性能，但碳纖維的實(shí)際拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論拉伸強(qiáng)度，主要原因是其表面和內(nèi)部存在的大量缺陷。而電紡PAN纖維具有微晶化，細(xì)旦化，均質(zhì)化等優(yōu)點(diǎn)，可大量減少熱處理過程中纖維內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。在電紡PAN纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維的過程中，預(yù)氧化及碳化工藝條件都會(huì)影響最終碳纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。
　　本文采用靜電紡絲技術(shù)及動(dòng)態(tài)水浴方法收集連續(xù)單項(xiàng)排列的電紡PAN初生纖維，并對(duì)電紡初生纖維進(jìn)行后處理;探究了電紡

2、PAN纖維較佳的預(yù)氧化工藝;研究了最高碳化溫度及碳化過程中施加的張力對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。通過掃描電子顯微鏡(SEM)，密度柱，X射線衍射(XRD)，傅里葉紅外光譜(FT-IR)，元素分析(EA)，拉曼光譜，萬能材料試驗(yàn)機(jī)，表征了靜電紡PAN初生纖維，后處理PAN纖維，氧化PAN纖維的結(jié)構(gòu)及碳纖維的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。
　　研究表明：(1)處理后的電紡PAN原絲與電紡PAN初生纖維相比，具有更小的直徑，結(jié)晶度，晶粒尺寸以及取向度都

3、有大幅度提高。且不同批次電紡PAN原絲之間的直徑，密度，結(jié)晶度，晶粒尺寸差別極小，說明自制PAN原絲的質(zhì)量穩(wěn)定性很好。(2)電紡PAN原絲較佳預(yù)氧化工藝條件為:預(yù)氧化溫度依次是260℃，274℃，284℃，每個(gè)階段的停留時(shí)間均為5min，對(duì)應(yīng)的碳纖維的密度和強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為1.7581g·cm-3，950.0MPa。電紡PAN纖維的預(yù)氧化時(shí)間大幅度縮短，這對(duì)減少碳纖維制備成本的研究有重要指導(dǎo)意義。(3)隨最高碳化溫度的升高，碳纖維

4、的石墨化度，微晶堆疊厚度Lc，表觀微晶長度La‖和表觀微晶寬度La⊥逐漸增大，晶面間距d(002)逐漸減小，孔隙率Vp有增加的趨勢(shì)，取向度fc變化不大;碳纖維的密度，拉伸強(qiáng)度及彈性模量均逐漸增加，在最高碳化溫度為1350℃時(shí)，密度，拉伸強(qiáng)度及彈性模量同時(shí)達(dá)最大值，分別為1.7581g·cm-3，950.0MPa和121.3GPa，在一定碳化溫度范圍內(nèi)，升高碳化溫度有利于碳纖維結(jié)構(gòu)的完善和力學(xué)性能的提高。(4)隨碳化過程中施加張力的增加，

5、碳纖維的直徑變化不大，直徑均在120～130nm之間;石墨化度的變化很小;微晶堆疊厚度Lc，表觀微晶長度La‖和取向度fc先增加后減小;表觀微晶寬度La⊥和孔隙率Vp先減小后增加;微晶層間距d(002)沒有明顯變化。碳纖維的密度，拉伸強(qiáng)度及彈性模量隨張力的增加均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)施加的張力為20cN時(shí)，碳纖維的密度，拉伸強(qiáng)度及彈性模量均達(dá)到最大值，分別為1.7633g·cm-3，1114.6MPa，194.5GPa。在碳化過程中