硼系催化劑對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響.pdf

1、隨著國(guó)防和軍事工業(yè)的不斷發(fā)展，高性能碳纖維作為一種強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕等性能優(yōu)異的新型材料而被廣泛應(yīng)用。高質(zhì)量的原絲、預(yù)氧絲是制備高性能碳纖維的重要前提。然而，皮芯結(jié)構(gòu)是影響原絲、預(yù)氧絲質(zhì)量穩(wěn)定性的重要因素之一。因此，消除或抑制皮芯結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)制備均質(zhì)碳纖維具有重要的意義。
　　采用催化劑改性纖維是減弱皮芯結(jié)構(gòu)，制備均質(zhì)碳纖維的有效手段。由于硼系這類(lèi)特殊的催化劑可以與碳取代固溶，其選擇性優(yōu)先取代結(jié)構(gòu)缺陷處的碳原子，完善了碳纖維

2、的晶格缺陷，促使了碳纖維的無(wú)序炭結(jié)構(gòu)向三維有序石墨晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使碳纖維的模量和強(qiáng)度都有所提升并且可以使碳纖維均質(zhì)的石墨化。就目前研究發(fā)展情況來(lái)看，通常都是采用溶液浸漬法對(duì)原絲、預(yù)氧絲、碳纖維進(jìn)行改性，雖然在一定程度上提高了碳纖維的力學(xué)性能（模量大幅提高），但改性成果僅作用于纖維表皮，芯部效果并不明顯，纖維的徑向均一性仍很差。
　　因此，本論文采用機(jī)械混合法將納米B4C催化劑均勻的分散在自制紡絲液中，并進(jìn)行連續(xù)式預(yù)氧化、低溫碳化

3、、高溫碳化處理。通過(guò)俄歇電子掃描(AES)、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、拉曼光譜儀(Raman)以及X射線衍射(XRD)等測(cè)試方法，探討并分析了碳化硼催化劑對(duì)預(yù)氧纖維、碳纖維結(jié)構(gòu)的變化情況以及硼的催化石墨化效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　在原絲制備過(guò)程中，由于雙擴(kuò)散的不均勻，導(dǎo)致纖維皮芯結(jié)構(gòu)的形成，使得表皮較致密，而芯部叫疏松，導(dǎo)致徑向結(jié)構(gòu)不均一。這種不均勻的兩相結(jié)構(gòu)，在熱處理過(guò)程中不斷加劇，最終遺留到碳纖維中。在預(yù)氧化過(guò)程中，

4、通過(guò)TG-DTA研究發(fā)現(xiàn)碳化硼改性的纖維預(yù)氧化反應(yīng)溫度提前，且在相同的升溫區(qū)間，反應(yīng)較充分，說(shuō)明硼抑制了預(yù)氧化的反應(yīng)速率，使氧氣向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散更充分，改善了纖維的徑向均一性。
　　在碳化過(guò)程中，通過(guò)XRD研究發(fā)現(xiàn)，B改性后碳纖維的002衍射峰變的更加尖銳、強(qiáng)度更高，并且伴有向右移動(dòng)的趨勢(shì)。在1600℃溫度下，未處理碳纖維的石墨化度為23.37％，而添加碳化硼的碳纖維石墨化度達(dá)52.9％，表現(xiàn)為石墨化度程度的提高。且機(jī)械混合法添加