论文摘要
沥青基碳纤维是以沥青为原料,经精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的特种纤维,具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低热膨胀、低密度、导电和导热等优良性能,是航空航天、国防工业中不可或缺的工程材料。由于沥青资源丰富、碳收率高、价格低廉,越来越引起人们的重视。沥青基碳纤维的性能取决于纤维的内部的结构,而结构的形成受到以下因素的影响;一、沥青的分子结构;二、纺丝工艺条件,主要包括;纺丝温度、剪切力、拉伸比、喷丝板结构等;三、热处理条件,主要包括;氧化温度、氧化时间、碳化温度、升温速率、停留时间、轴向张力等。本文以普通石油沥青、煤焦油各向同性沥青和萘系中间相沥青三种沥青为原料,首先用平板旋转流变仪研究了不同沥青原料的流变性能随温度、剪切速率变化的规律;随温度的升高或者随剪切速率的增大,沥青的流动性增强,并表现出非牛顿流体的剪切变稀型特性,并且中间相沥青表现出较大范围的低粘平稳区域,在此区域内,沥青的粘度始终在一定范围内,具有很好的可纺性;普通石油沥青没有可纺性,各向同性沥青的可纺性介于二者之间。在热台显微镜下观察了沥青的熔融过程;普通石油沥青具有最好的流动性,但不具有可纺性;各向同性沥青的流动性最差,超过350℃时,流动性逐渐增强;中间相沥青流动性介于两者之间,330℃附近具有很好的流动性,当温度达到370℃时,流动性变差,可能发生了交联焦化反应。对中间相和各向同性沥青进行熔融纺丝,经氧化碳化,得到中间相沥青基碳纤维和各向同性沥青基碳纤维。结果表明,中间相沥青的可纺性优于各向同性沥青,可以得到直径更小的中间相沥青纤维,最终得到碳纤维的性能也是前者高于后者。为了考察纺丝工艺条件对纤维结构与性能的影响,选用了两种不同孔道结构的喷丝板,分别在320℃、330℃对中间相沥青进行熔融纺丝,通过改变纺丝压力、缠绕速度得到不同直径的沥青纤维,经氧化、碳化,得到结构、微晶取向度各不相同的中间相沥青基碳纤维。结果表明,强的剪切和拉伸作用有利于分子的取向;较高纺丝温度,有利于纤维的细化,同时分子解取向效果增强;大直径纤维容易形成皮芯结构,并导致力学性能下降;微晶择优取向度越高,碳纤维的拉伸强度和模量越高,取向度从77.3%增大到81.9%时,拉伸强度从1.001逐渐增大为1.817GPa,模量从91GPa增大到227GPa;具有缩流结构的喷丝板,纤维的径向微晶层片呈辐射状排列。考察预氧化、碳化、石墨化等热处理条件对纤维结构与性能的影响。对连续升温氧化过程和250℃时的恒温氧化过程进行TG分析;在200～300℃的温度范围内,进行不同时间的预氧化,碳化后比较各氧化条件对碳纤维力学性能的影响,并对部分预氧化纤维的含氧量进行了测试。在600～2600℃的温度范围内,研究了碳化温度对碳纤维结构与性能的影响。同时也考察了在预氧化、碳化过程当中,张力对纤维性能的影响。结果表明,对于直径为16～18μm的中间相沥青原丝,空气气氛下,预氧化温度为220～250℃,时间为3h～5h,为最佳氧化条件,最佳含氧量为9%～10%。1000℃碳化的MPCF,经2600℃石墨化处理后,微晶取向度从77.3%提高到91.7%,拉伸强度由1GPa提高到2.1GPa,模量由100GPa提高到500GPa以上;石墨片层结构排列更加规整、致密,密度1.728g/cm~3增大到2.087g/cm~3,晶面间距由3.5618(?)减小到3.3808(?),含碳量达到99.82%。本文通过制备沥青基碳纤维,并考察其结构与性能,对制备高性能沥青基碳纤维的主要影响因素进行了研究,如熔融纺丝、预氧化、碳化。认为通过优化纺丝工艺条件、选择合理的氧化、碳化路径,可以改善纤维结构,提高沥青基碳纤维的力学性能。