高温热处理制备国产PAN基高模量炭纤维的研究

论文摘要

高模量炭纤维作为炭纤维家族中重要一员,具有高比模、低膨胀系数、高尺寸稳定性、耐热等优良性能,广泛应用于卫星、国防建设和国民经济中。而关于国产高模量聚丙烯腈(PAN)基炭纤维的研究较少。实现高模量聚丙烯腈基炭纤维国产化具有重要的意义。本文选用国产聚丙烯腈原丝,在已实现工业生产上的炭化线上进行炭化,制得聚丙烯腈基炭纤维。并以此为原材料,在不同形式的石墨化炉中,对浸硼酸处理和未浸硼酸处理的炭纤维进行高温热处理。采用X射线衍射、激光拉曼光谱、扫描电子显微镜等测试手段研究了国产聚丙烯腈基炭纤维在高温热处理过程中力学性能与结构的变化和关系,并探讨硼对国产聚丙烯腈基炭纤维石墨化的促进作用。实验结果表明,未浸硼处理的炭纤维在两种不同的石墨化炉中进行高温热处理,均能提高炭纤维的拉伸模量,并且随着最终石墨化温度的提高炭纤维的拉伸模量增加,而炭纤维的拉伸强度逐渐降低。2500℃高温热处理后,炭纤维的拉伸模量为413GPa,拉伸强度为1.49GPa。浸硼酸处理的炭纤维通过高温热处理后,随着最终热处理温度的提高,浸硼酸处理的炭纤维的拉伸模量逐渐增加,拉伸强度逐渐降低。浸硼炭纤维在2500℃高温热处理后,炭纤维的拉伸模量为460GPa,拉伸强度为1.60GPa。比较两种不同石墨化方法,浸硼炭纤维的模量明显比未浸硼炭纤维的高；而且浸硼炭纤维的强度下降要比未浸硼炭纤维要慢。随着热处理温度的提高,炭纤维的石墨微晶d002逐渐降低,微晶尺寸La和Lc逐渐增加,石墨化程度逐渐提高。浸硼炭纤维的微观结构变化尤为明显,浸硼酸处理的炭纤维的石墨化程度明显比未浸硼酸处理的高。硼元素的存在可以加速炭纤维石墨化过程,明显提高了炭纤维的模量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 炭纤维概述
• 1.1.1 炭纤维的应用及分类
• 1.1.2 炭纤维的发展及现状
• 1.1.3 聚丙烯腈基炭纤维制备工艺
• 1.2 炭纤维的结构及其力学性能
• 1.2.1 炭纤维结构
• 1.2.2 炭纤维的力学性能
• 1.3 炭纤维的石墨化研究
• 1.3.1 炭纤维的石墨化
• 1.3.2 石墨化度的表征方法
• 1.4 选题意义及研究内容
• 第二章 实验与检测分析
• 2.1 原材料及主要试剂
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 聚丙烯腈原丝预氧化与炭化过程
• 2.2.2 高温热处理过程
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 力学性能测试
• 2.3.2 聚丙烯腈原丝热分析
• 2.3.3 线密度及体密度的测试
• 2.3.4 预氧丝红外光谱分析
• 2.3.5 X射线衍射分析
• 2.3.6 X射线光电子能谱分析
• 2.3.7 Raman光谱分析
• 2.3.8 元素分析
• 2.3.9 扫描电子显微镜分析
• 第三章 国产PAN原丝的预氧化研究
• 3.1 聚丙烯腈原丝热分析
• 3.2 不同预氧化阶段纤维的颜色和密度的变化
• 3.3 不同预氧化阶段纤维的FTIR分析
• 3.4 不同预氧化阶段纤维的XRD分析
• 3.5 不同预氧化阶段纤维的元素分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 高温热处理对国产PAN基炭纤维性能的影响
• 4.1 热处理温度对PAN基炭纤维力学性能的影响
• 4.2 热处理温度对PAN基炭纤维结构的影响
• 4.2.1 炭纤维的表面与断口形貌
• 4.2.2 炭纤维的石墨微晶结构
• 4.2.3 炭纤维的密度与元素含量
• 4.2.4 炭纤维表面的拉曼光谱
• 4.3 PAN基炭纤维力学性能与结构的关系
• 4.3.1 拉伸强度与结构的关系
• 4.3.2 拉伸模量与结构的关系
• 4.4 本章小结
• 第五章 高温热处理对浸硼酸国产PAN基炭纤维性能的影响
• 5.1 高温热处理对浸硼酸PAN基炭纤维力学性能的影响
• 5.1.1 高温热处理对浸硼酸炭纤维拉伸强度的影响
• 5.1.2 高温热处理对浸硼酸炭纤维的拉伸模量的影响
• 5.2 高温热处理对浸硼酸PAN基炭纤维结构的影响
• 5.2.1 浸硼酸处理的炭纤维的表面及断口形貌
• 5.2.2 XRD分析
• 5.2.3 浸硼酸处理对炭纤维密度的影响
• 5.2.4 拉曼光谱分析
• 5.2.5 XPS分析
• 5.3 硼对PAN基炭纤维促进石墨化作用机理的探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文