2010PAN基高模量碳纤维微观结构研究
PAN基高模量碳纤维
而且， 其处 理难 度要 高于 高强 度碳 纤
工艺与设备
１Ｐ Ｎ ． Ａ 基高模量碳纤维制备 工艺
ＰＡＮ基 高模 量碳 纤 维 的制备 工 艺 包 括 丙烯 腈 （ ＡＮ） 合 、 丝 、 聚 纺 氧 化 、 化 、 墨 化 、 面 处 理 与上 胶 。 碳 石 表
与高 强度碳 纤 维制备 工艺 流程 相 比 ，
代表 ， 如Ｍ６ Ｊ ０ 的抗拉模量 为 ５ ８ ８ ＧＰａ 、 抗拉 强度为 ３ ９ ＧＰ 、 ．２ ａ 断裂伸 长率 为
维 ， Ｉ ０ ＭＪ 列。 于 高 模 量 碳 ￣ Ｍ４ 、 系 Ｉ 关
始 规模 生 产Ｍ４ 碳 纤 维 ， ０ 至今 已近 ４ 年 ， 产 品一直 以来 占据 着我 国应 ０ 其
用市 场 ， 这表 明国产ＰＡＮ基 高模量碳 纤维 的潜 在应 用市 场很 大 。 这对 于 刚
的可 设计 性 范 围 变 窄。 从ＡＮ聚 合 而 开 始 的 工 艺 路线 ， 工 艺 流程 长 、 其 可
基 和 中 间相 沥 青 （ ＭＰＰ 基 。 ） ＰＡＮ基
而 增 ＮＰＡＮ基高 模量 碳 纤维 结 构与
性 能的 可设计 性 。
纤维 长足 发展 的关键所在 。
需要说 明的是 ， 由于ＰＡＮ基 高模
量碳 纤 维 的热处 理温 度高 ， 维表 面 纤
高 模量 碳 纤 维 又 分 为Ｍ系 列 （ 以Ｍ４ ０ 产 品为代表 ， 抗拉模 量为 ３ ２ 其 ９ ＧＰａ 、 抗拉 强度为 ２ ７ ＧＰａ 断裂伸 长率 为 ．４ 、
PAN基碳纤维微结构特征的研究的开题报告
PAN基碳纤维微结构特征的研究的开题报告一、选题背景随着先进材料技术的不断发展，基于高分子材料的碳纤维已成为一种重要的工程材料，因其具有高强度、高模量、低密度等优良的力学性能，被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
本课题选取PAN（聚丙烅腈）基碳纤维为研究对象，通过分析微结构特征，探讨其力学性能的提升和应用前景的拓展，对材料的生产和应用具有一定的指导意义。
二、研究目的探究PAN基碳纤维微观结构的形成机理及其对力学性能的影响，为制备高性能碳纤维材料提供理论依据。
三、研究内容1. PAN基碳纤维的制备工艺及其微观机制研究；2. 基于扫描电镜、透射电镜等技术手段，对PAN基碳纤维的微观结构进行表征；3. 通过力学试验，分析PAN基碳纤维的强度、模量、断裂伸长率等力学性能，并探讨其与微观结构的关系。
四、研究方案1. 文献调研通过阅读相关文献，了解现有关于PAN基碳纤维微观结构及力学性能的研究成果和发展趋势，明确研究方向。
2. 微观结构表征利用扫描电镜、透射电镜等技术手段，对制备好的PAN基碳纤维的表面形貌、纤维结构、晶体结构及其它微观特征进行表征分析。
3. 力学性能测试通过单轴拉伸试验，测定制备的PAN基碳纤维的强度、模量、断裂伸长率等力学性能。
4. 数据分析对微观结构和力学性能测试的数据进行分析，寻找微观结构和力学性能的关联，并探讨微结构对力学性能的影响机理。
五、预期成果1. 对PAN基碳纤维微观结构和制备工艺的研究，为制备高性能的碳纤维材料提供理论指导；2. 深入了解PAN基碳纤维的微观机制，理解碳纤维力学性能的形成规律；3. 推动PAN基碳纤维的应用拓展，提高材料的科技含量。
六、研究难点与创新点1. 难点：PAN基碳纤维制备及其微观结构表征；2. 创新点：揭示PAN基碳纤维微观结构与力学性能之间的关联，为优化碳纤维的制备工艺和性能提供科学依据。
PAN基碳纤维微观结构对宏观力学性能影响的研究
PAN基碳纤维微观结构对宏观力学性能影响的研究复合材料在航空航天、航海潜海、岛屿建设等国防高新技术领域有着广泛的应用,而碳纤维作为先进复合材料最重要的增强相之一,其性能决定了复合材料的性能,因而提高碳纤维的力学性能有着重要的现实意义,据此确定了本文研究的目的。
本文主要研究聚丙烯腈(PAN)基碳纤维微观结构对拉伸模量和拉伸强度的影响。
通过建立PAN基碳纤维细观力学模型对微观结构因素与拉伸模量间的关系进行研究;通过对PAN基碳纤维基本结构单元拉伸模拟对微观结构与拉伸强度和拉伸模量间的关系进行研究。
主要研究内容如下:首先,基于PAN基碳纤维的二相细观力学模型,应用Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法得到PAN基碳纤维微观结构因素与其拉伸模量间的关系,并确定影响PAN基碳纤维拉伸模量的微观因素分别为:微晶取向度、体积分数、长细比。
应用PAN基碳纤维的二相细观力学模型分析讨论了三种微观因素对PAN基碳纤维拉伸模量的影响,并对三种影响因素对拉伸模量影响的强弱进行了比较。
通过该细观模型区分了同种微观因素对不同种类PAN基碳纤维拉伸模量影响的差异。
其次,基于X射线衍射(XRD)和小角X射线散射(SAXS)实验结果及PAN基碳纤维结构理论,提出了PAN基碳纤维是由微晶、微孔及无定形碳所构成的三相复合材料,建立了三相细观力学模型。
应用Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法对拉伸模量进行了预报,得到了PAN基碳纤维微观结构与其拉伸模量间的关系。
确定了影响PAN基碳纤维拉伸模量的因素分别为:微晶取向度、体积分数、长细比,微孔体积分数和长细比。
应用PAN基碳纤维的三相细观力学模型分析讨论了五种微观结构因素对PAN基碳纤维拉伸模量的影响,并对五种影响因素对拉伸模量影响的强弱进行了比较。
通过该细观模型区分了同种微观因素对不同种类PAN基碳纤维拉伸模量影响的差异。
最后,以Reynolds-Sharp碳纤维结构模型为基础,利用分子动力学设计了六类PAN基碳纤维基本结构单元模型并对这六类基本结构单元进行了拉伸失效模拟,揭示了基本结构单元的微晶及无定形碳的缺陷处、微晶间界面和微晶与无定形碳间界面是裂纹的发生处,明确了微观结构因素和微晶、无定形碳、微孔的排布方式对力学性能的影响。
PAN碳纤维讲解
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
PAN基碳纤维复合材料
1、湿法纺丝
强度低下 不匀率超高
3、干法纺丝
纺丝速度远比湿纺高 纤维致密性十分高 内部残留溶剂难于去除
2、干喷湿纺
纺丝速度高； 所得纤维丝非常细； 高温度、高浓度、高粘度纺丝； 截面可控； 强度高，延伸性好；
结构过于致密，氧化困难 大丝束难纺
4、熔融纺丝
纺丝速度远比湿纺高 纯度较高
内部残留溶剂难于去除 碳纤维质量低下
录
壹 发展史 叁 制备
贰 结构性能 肆 用途
壹
PART ONE 发展史
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥 青、黏胶等为原料，经过预氧化、炭化、石 墨化而制得的含碳量大于90%的高强、高模、 耐高温的特种纤维。PAN基碳纤维各方面性 能较为优异，所以目前使用领域最广。
国内碳纤维建设概况
目前我国15省市约有36家企业参与建设： 江苏 5家 安徽 4家 吉林 4家 其它 23家
THE END
外文文献
聚丙烯腈(PAN)是一种用途广泛的人造聚 合物，自上世纪40年代中期首次大规模 生产以来，已在大量产品中得到应用。在 PAN的所有应用中，应用最广泛的是用于 制造碳纤维的前驱纤维。PAN基碳纤维生 产过程包括纺丝、热稳定和炭化三个阶段。 PAN基碳纤维的性能与前驱纤维的质量， 特别是与热稳定化的工艺参数密切相关。 这篇论文是第一个全面的综述，提供了对 PAN 基碳纤维结构、性能和稳定过程之 间的联系的一般认识，以及使用数学建模 作为一个强大的工具，预测和优化所涉及 的过程。由于数学模型的承诺是预测系统 未来的行为和变量的价值，为不可见或未 测量的领域的变量;在工业4.0崛起的时代， 这篇综述将有助于进一步了解碳纤维制造 的复杂过程，并利用先进的数学模型，利 用机器学习技术来预测和优化一系列控制 PAN和合成碳纤维质量的关键因素。
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变按照原料来源，碳纤维可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等，其中PAN 基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能，且其应用领域非常广泛，因此PAN 基碳纤维在市场占据主导地位。
PAN基碳纤维是以PAN原丝为原料，经过预氧化、低温碳化、高温碳化制备得到，若在此基础上进一步高温石墨化处理，可以制备得到高强高模碳纤维（又称：石墨纤维）。
在预氧化阶段，具有线型分子结构的PAN原丝经过环化、脱氢、氧化等复杂化学反应，转变具有耐热梯形结构的预氧化纤维，这种具有耐热梯形结构的纤维在惰性气体保护的碳化环境下，可以不融不燃，保持纤维形态，经过低温碳化、高温碳化后形成具有乱层石墨结构的碳纤维。
经过几十年发展，PAN原丝向碳纤维内部结构尤其是微观化学结构演变机制已基本明确，但是有关转变过程中表面结构演变规律研究则鲜有报道。
中科院宁波材料所特种纤维事业部以自研6k规格PAN原丝为原料，经过180℃-300℃预氧化、300℃-800℃低温碳化、1000℃-1600℃的高温碳化制备得到碳纤维，详细研究了PAN原丝向碳纤维转变过程中表面结构演变规律，针对转变过程中各阶段纤维：PAN原丝（Precursors:PF）、预氧化纤维（Thermo-oxidized fibers：TF）、低温碳化纤维（Low-temperature carbonized fibers：LCF）、高温碳化纤维（Carbon fiber: CF）表面特征结构进行了对比研究。
一、纤维表面物理形貌研究阶段纤维表面的扫描电镜结果显示，在PAN原丝向碳纤维转变过程中纤维表面轴向沟槽特征结构得以保留，与原丝（PF）相比，由于预氧化阶段存在双扩散过程，即：空气中氧元素由表及里扩散以、环化脱氢后以水蒸气形式由内向外扩散，该扩散致使预氧化纤维（TF）表面沟槽结构愈加明显，经过低温、高温碳化后，由于高温环境下化学反应剧烈，低温碳化纤维（LCF）与高温碳化纤维（CF）表面沟槽变窄。
PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究
PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究谭婷婷;王成国;井敏;冯志海;杨云华;陈旸;谢奔【摘要】采用场发射扫描电子显微镜、广角X射线衍射、元素分析、高分辨透射电子显微镜对东丽T700S、T700G和东邦UT500 3种碳纤维的表面和断面形貌、化学组成及石墨微晶等微观组织结构进行了表征,比较了这3种碳纤维的微观结构差异,并分析了这些差异对力学性能的影响。
结果表明,T700G碳元素含量较高,氮元素含量较低,它的石墨微晶尺寸较大,取向度较高,这是它比T700S拉伸模量高但断裂伸长率低的原因;UT500的表面结构与断面结构不如T700S和T700G好,微晶尺寸也较小,但它的直径略细,而且石墨微晶内（002）晶面排列比T700S和T700G 更规整,导致UT500的综合力学性能略优于T700S和T700G。
%Field emission scanning electron microscope, X-ray diffractometer, elemental analysis and high-reso- lution transmission electron microscope were used to characterize the surface and fracture feature, chemical composition and graphite microcrystalline structure of three kinds of carbon fibers including Toray T700S, T700G and Toho UT500. The microstructure differences ofthe three carbon fibers were compared and the effects of these differences in mierostructure on mechanical properties of carbon fiber were analyzed. Rustles showed that TT00G has a higher carbon content and a lower nitrogen content, larger graphite crystallite size and orientation degree, which are the reasons that it has higher tensile modulus but lower elongation at break than T700S; surface and fracture feature of UT500 were slightly worse than T700S and T700G and its graphite crys- tallite size is smaller; however, the diameter of UT500 is a little thinner and the （002）crystal faces in graphite microcrystalline arrange more ordered than TT00S and TT00G, which cause the comprehensive mechanical prop- erty ofUT500 is a bit better than that of T700S and T700G【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2012(043)016【总页数】5页(P2226-2230)【关键词】PAN基碳纤维;微观组织结构;力学性能【作者】谭婷婷;王成国;井敏;冯志海;杨云华;陈旸;谢奔【作者单位】山东大学山东省碳纤维工程技术中心,山东济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术中心,山东济南250061;山东建筑大学材料科学与工程学院,山东济南250101;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京100076;山东大学山东省碳纤维工程技术中心,山东济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术中心,山东济南250061【正文语种】中文【中图分类】TS102.43碳纤维是一种新型高性能无机纤维材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性能［1］。
PAN基碳纤维制备过程中微观结构的研究进展
PAN基碳纤维制备过程中微观结构的研究进展作者：王倩单小红来源：《轻纺工业与技术》 2012年第1期王倩，单小红（新疆大学，新疆乌鲁木齐８３００４６）【摘要】ＰＡＮ基碳纤维在制备过程中，ＰＡＮ纤维、预氧化纤维的微观形态结构对制得的碳纤维的强度和断裂性能都有较大的影响。
通过对ＰＡＮ纤维和预氧化纤维微观形态的阐述及对ＰＡＮ基碳纤维发展历程中的典型结构模型的分析，拟为掌握碳纤维结构与其机械性能的相关性和制备高性能的碳纤维提供参考。
【关键词】ＰＡＮ；碳纤维；微观结构中图分类号： TS102.4+5 文献标识码： A 文章编号： 2095-0101（2012）01-0036-02０引言碳纤维是经过１５００℃高温碳化所形成的纤维状碳素材料，含碳量在９０％以上。
碳纤维具有高模量、高强度、低密度、低电阻、耐摩擦、耐高温、耐酸性和耐辐射等优越的特性［１］。
碳纤维按性能可分类为：高性能碳纤维和低性能碳纤维；按原丝类型可分类为：聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维和木质素基碳纤维；按工艺条件不同可分类为：碳纤维、氧化纤维、石墨纤维、气象生长碳纤维和活性炭纤维等，其中含碳量高于９９％的碳纤维称之为石墨纤维［２］。
目前制造碳纤维的原料有三种：纤维素和再生纤维素、聚丙烯腈均聚物和共聚物、沥青和煤油抽出物。
以聚丙烯腈（ＰＡＮ）为原料实现碳纤维工业化生产始于２０世纪５0年代，由于其生产工艺相对简单，产品的力学性能优良，具有很高的碳化率并且用途非常广泛而成为当今碳纤维生产工业的主流产品。
ＰＡＮ基碳纤维分为大丝束碳纤维（ＬＴ）和小丝束碳纤维（ＣＴ），因其高强度、高刚度、重量轻、耐磨损、耐腐蚀和优异的电性能等特点而在与其他纤维的竞争中发展壮大［２］。
目前世界ＰＡＮ基碳纤维生产规模已达３１６５０ｔ，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。
主要应用于航空航天、国防军事科技领域、高级体育休闲用品、医疗器械等行业，市场需求十分旺盛，因此研发ＰＡＮ基碳纤维具有广阔的前景和现实意义。
PAN基高模量碳纤维
景下，如何正视和解决高模量碳纤维 生产中的技术难题、实现高模量碳纤 维的国产化、加速推进我国高模量碳 纤维的产业化进程显得尤为重要。本 文就我国高模量碳纤维的现状进行了 综述，旨在阐述高模量碳纤维在制备、 测试与应用方面需要关注的问题，希 望能够为相关业界人士提供参考。
一、高模量碳纤维
碳纤维在发展的初期，常被简单 分为高强和高模两种类型 ：前者是经 过 1400 ～1900℃处理的强度较高的 碳 纤 维，后 者 则 是 经 过 高 温 石 墨 化、 模量较高的碳纤维。随着碳纤维的品 种 多 样 化、产 品 系 列 化，人 们 对 碳 纤 维进行了更为细致的命名，在诸多分
从应用角度考虑，批量生定性和批次间稳定性 来对此进行表征 ；同时，为了更客观 反映纤维性能的离散性，应给出纤维 性能的平均值、离散系数、最大值以及 最小值。
四、PAN基高模量碳纤维的应用
由于P A N基高模量碳纤维的模 量高，脆性大，断裂伸长率小，加之价 格 较 高，其 大 规 模 应 用 受 到 限 制，应 用范围远远小于T300等高强度碳纤 维。当前，P A N基高模量碳纤维的主 要用途是作为先进复合材料的增强 体。与其他增强体一样，P A N基高模
位利用自身技术与设备优势，经过潜 心研究均取得了进步，共同推动了我 国高模量碳纤维的发展，但其大规模 生产尚需时日。
高强高模型碳纤维与高模型碳纤维微观结构分析
(1 中国科学院化学研究所 北京分子科学国家实验室 高分子物理与化学实验室，北京，100190)
碳纤维具有高强、高模、低密度、耐烧蚀、耐腐蚀等优异性能，并兼具可编织性，作为增强材料 在航空航天、交通运输、医疗器械、能源和文体娱乐等领域得到广泛应用[1]. 碳纤维主要通过热解有 机前驱体来制备，前驱体主要有聚丙烯腈、粘胶和沥青[2, 3]. 其中，聚丙烯腈基碳纤维由于其综合力学 性能优异、用途广泛而成为碳纤维工业生产的主流. 聚丙烯腈基碳纤维是由丙烯腈经聚合、纺丝、预 氧化、碳化、石墨化而制备的含碳量在 95%以上的材料. 其中碳化和石墨化是碳纤维晶体结构控制的 关键时期. 高温碳化制备的高强型碳纤维经过石墨化处理可以得到高模型和高强高模型碳纤维. 高强 型碳纤维属于二维乱层石墨结构，其中主要是 sp2 杂化态，碳网面边缘及其它缺陷处也存在 sp3 杂化 态. 此外碳纤维中还不同程度存在 O、 N、 H 等元素. 高模型碳纤维具有局部有序的三维石墨晶体结构， 石墨片层缺陷减少，堆叠更加紧密，碳元素含量也更高. 在由高强型碳纤维制备高模型碳纤维的过程中，随着碳纤维模量的提高，强度损失明显. 而高强 高模型碳纤维兼具高的拉伸强度和高的拉伸模量， 由于碳纤维的宏观力学性能直接依赖于其微观结构， 我们发现高模碳纤 所以纤维微观结构和性能之间的关系成为众多工作者的研究热点[4, 5]. 前期研究中， 维制备过程中的热处理温度对其结构有重要影响，随着热处理温度的升高，纤维内石墨微晶尺寸不断 增加，层间距逐渐减小，晶体结构更加完善，三维有序性提高；随着石墨微晶结构的发展，纤维内的 孔隙结构也生长融合，这些微晶结构和孔隙结构的形成与演化共同影响着碳纤维的性能[6]. 本文通过对相近模量的国产高强高模型碳纤维和高模型碳纤维微观结构的对比研究， 分析了微观 结构差异对性能的影响. 本研究对阐明高强高模碳纤维结构与性能的关系，指导高强高模碳纤维碳纤 维结构调控具有重要的应用价值.
聚丙烯腈流变行为及碳纤维微观结构与力学性能关系
聚丙烯腈流变行为及碳纤维微观结构与力学性能关系聚丙烯腈流变行为及碳纤维微观结构与力学性能关系引言：聚丙烯腈（PAN）是一种广泛用于制备高性能碳纤维的前驱体材料。
在制备过程中，PAN纤维经历了热脱水、氧化和碳化等步骤，形成了具有结晶结构的纤维，并最终转变为碳纤维。
然而，PAN纤维的微观结构与力学性能之间的关系尚不完全清楚。
本文旨在研究PAN纤维的流变行为，并探索其微观结构与力学性能之间的关系。
实验方法：首先，我们制备了不同浓度的PAN溶液，通过旋转流延工艺获得了PAN纤维。
然后，利用拉伸试验仪对PAN纤维进行拉伸性能测试，并通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术对样品的微观结构进行表征。
最后，我们利用动态力学分析仪（DMA）研究了PAN纤维的流变行为。
结果与讨论：通过拉伸试验，我们发现PAN纤维的抗拉强度随着PAN浓度的增加而增加。
这是因为增加PAN浓度会导致纤维内部的链段结晶度提高，从而增加了纤维的强度。
此外，当PAN浓度超过一定阈值时，纤维的抗拉强度便趋于饱和，这可能是由于高浓度条件下纤维表面液体脱离较慢而导致的。
通过SEM观察，我们发现PAN纤维的表面光滑且均匀，而高浓度下的纤维表面有更多的微观孔洞。
这些孔洞可能是由于高浓度PAN溶液的脱水过程中，封闭的气泡在纺丝过程中被带入纤维中而形成的。
此外，通过XRD分析，我们观察到PAN纤维的晶胞参数与PAN浓度呈正相关，这进一步证明了PAN浓度对纤维结晶度的影响。
通过DMA分析，我们研究了PAN纤维的流变行为。
结果显示，PAN纤维的储能模量和损耗模量随着温度的升高而减小，这可能是由于温度升高导致了纤维内部链段松弛和分子运动增加。
此外，PAN纤维的储能模量和损耗模量随着频率的增加而增加，这可能是由于频率的增加导致纤维内部链段运动受到更多限制。
结论：本研究通过实验和分析，揭示了PAN纤维的流变行为与其微观结构和力学性能之间的关系。
我们发现PAN纤维的抗拉强度与PAN浓度呈正相关，并且低浓度下的纤维表面更加光滑均匀。
PAN基碳纤维改性的研究进展
ｌ ｒ ｅ ｙ Ａｔ ｌｓ ，ｔ ｅｎ ｗ ｉｅ ｔ ｎ ｉ ｈ ｕ ｕ ｅｏ ｄ ｆ ａ ｉ ｎ ｏ ａｇ ｌ． ａ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ｃ ｉ ｎ ｔ ｅ ｆ ｔ ｒ ｎ ｍｏ ｉ ｃ ｔｏ ｆＰＡＮ— ａ ｅ ａ ｂ ｎ ｆｂ ｒ ｓ ｉ ｄ ｃ ｔ ｄ ｏ ｉ ｂ ｓ ｄ ｃ ｒ ｏ ｉ ｅ ｓ ｗａ ｎ ｉａ ｅ ．
Ｐ ＡＮ 基碳 纤 维 改性 的研 究进展 ＊
闫 佳 ， 增 勇 ， 海 峰 ， 良奎 ， 东 玖 楚 程 孙 张
（ 国防 科 技 大 学 新 型 陶 瓷 纤 维 及 其 复合 材 料 国 防 科 技 重 点实 验 室 ， 南 长 沙 ４ ０ ７ ） 湖 １０ ３
摘 要 ： 通过 对聚 丙烯腈 （ ＡＮ） Ｐ 基碳 纤维的改性研 究 ， 备具 有优 异性 能的碳 纤 维， 制 已经 成为碳 纤维领 域研 究的 热点 。本 文从 Ｐ Ｎ 基碳 纤维的制备 工艺入 手 ， 重综述 了 Ｐ Ａ 着 ＡＮ 基碳 纤 维的纺 丝溶 液改 性和 原丝
ｍ ａ ｎ ｙ ｆ ｕ ｅ ｈｅｄｅ ｅ ｏ ｉ ｌ ｏｃ ｓ ｄ ｏｎ ｔ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｎｄ ｃ ｒ ｎｔｒ ｓ ａ ｃ ｉｕａ ｉｎ ｎ ｍ ｏｄ ｆｃ ｔｏｎ ｏ Ｎ ｐｎｎｉ ｏ ｕ ｉ ｎ ａ ｎｔａ ｕｒ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓｔ ｔｏ ｏ ｉｉａ ｉ ｆＰＡ ｓ ｉ ｎｇ ｓ ｌ ｔｏ ｎｄ ＰＡＮ ｅ ｕ — ｐｒ ｃ ｒ ｓ ｒ Ｔ ｈｅｍ ｏｄｆｃ ｔｏｎ ｏｆＰＡ Ｎ ｐｉ ｎｇ ｓ ｕｔｏｎ ｈａ ｗｏ ｍ ｅ ｈ ｏ． ｉｉａ ｉ ｓ ｎｎｉ ｏｌ ｉ ｓ ｔ ｔ ｏｄｓｂｌｎｄ ｎ ｎｄ ｃ — ｌ ｍ ｅｒｚ ｔｏｎ Ｔｈｅｍ ｏｄ ｆｃ ｔｏｎ ｏｆＰＡ Ｎ ｅ ｉ ｇ ａ ｏ ｐｏ ｙ ｉａ ｉ ． ｉｉａ ｉ ｐｒ ｃ ｒ ｏｒｍ ａｉ ｙ ｄｅ ｎｄ ｄ ｏ ｈｅ ｉ ａ ｏ ｆｃ ｔｏ ｅｕｓ ｎｌ ｐｅ ｅ ｎ ｃ ｍ ｃ ｌｍ ｄｉｉ ａ ｉｎ，ｗ ｈｉｈ ｉ ｐｒ ｖｅ ｈ ｅ ｈ ｎｉａ ｒ ｅ ｔｅ ｃ ｍ ｏ ｄ ｔ ｅ ｍ ｃ ａ ｃ ｌｐ ｏｐ ｒｉ ｓｏｆＰＡ Ｎ— ａ ｅ ａ ｂ ｉ ｅ ｓ ｂ ｓ ｄ ｃ ｒ ｏｎ ｆｂ ｒ
高模PAN基碳纤维在北京化工学院碳纤维工程研究中心试制成功
国 家体 委 主 任 伍 绍 祖 和 中国 奥 委 会 席 何 振 梁 已 分 别 正 式 向 国 际 赛
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) 递 交 了 关 于 在 中 国 上 海 申办 1 9
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,9 8 年世 界 Nhomakorabea赛 艇 锦 标 赛 的 申请
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此 前F l S
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技 术 委 员会 主 任 D
以 N D s 先 生 应邀 考 察 了 上 海 市 和 座 落
在 有 关 方 面 的 安排 下
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在 青 浦 县 淀 山湖 的上 海 水上 运 动 场 ; 同 时 屠 年 所 长 专 程 去 沪 向D
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富 阳特 纤 所 申
、
先 生 详 尽介 绍 了 我 国 A
M 赛 艇 用料
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7
期
特 种 合 成 纤 维 应 用 简 报
纂 歉 ;葬霉 ;
高 摸
尸
基 碳纤 维 在 北 京
化工
学 院 功
,
碳 纤 维 工 窟 研 穷
中心 讨 制 成
9 OG P
a
,
最 近 该 中 心 已 突破 了 高模 量 聚 丙 烯 睛 墓 碳 纤 维 的技 术 难 关
M 4 O型
试 制出 了 相 当 于
.
号 的 2 公 斤 高模碳 纤 维
。
,
经 测 试 模 量 约 为3
强 度 为2
7G P
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PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构研究
PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构研究碳化纤维是一种具有优异性能的高性能纤维材料，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
其中，PAN基碳化纤维是目前应用最为广泛的一种碳化纤维，其性能主要受到晶态结构的影响。
因此，研究PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构对于提高碳化纤维的性能具有重要意义。
碳化纤维的制备过程主要包括氧化聚合、稳定处理和炭化三个步骤。
在这个过程中，纤维的晶态结构会发生一系列变化，这些变化直接影响着最终碳化纤维的性能。
在氧化聚合阶段，PAN分子会发生氧化反应，形成线性结构的聚合物链。
在这一阶段，纤维的结晶度较低，分子链之间结合较弱，纤维的强度和模量低。
随着稳定处理的进行，PAN分子链发生氧原子的脱除，形成碳链结构，晶格结构逐渐形成。
在这一阶段，纤维的结晶度提高，分子链之间结合强度增加，纤维的强度和模量也随之增加。
最终，在炭化过程中，碳原子进一步排列成六角环结构，形成了完全的碳化晶体结构，纤维的性能达到最优。
为了研究PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构，可以利用X射线衍射技术、红外光谱技术、拉曼光谱技术等手段进行分析。
X射线衍射技术可以用来确定纤维的结晶度、晶格参数和晶面取向，从而揭示纤维的晶体结构。
红外光谱技术可以用来检测PAN分子链中各种官能团的存在情况，揭示PAN分子链的构成和结构。
拉曼光谱技术可以用来观察纤维中碳原子的振动模式，从而帮助确定碳化晶体结构的形成情况。
通过对PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构的研究，可以深入了解纤维的形成机制，为优化制备工艺、提高纤维性能提供依据。
同时，通过调控纤维的晶态结构，可以实现对纤维性能的有效调控，为碳化纤维在各个领域的应用提供更多可能性。
因此，研究PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构具有重要的科学意义和应用前景。
高强度纤维增强材料的微观结构研究
高强度纤维增强材料的微观结构研究引言：高强度纤维增强材料广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域，其优异的力学性能使得它成为现代工程设计中的重要材料。
了解高强度纤维增强材料的微观结构对于改善其性能和开发新材料具有重要意义。
本文将探讨高强度纤维增强材料的微观结构研究，包括纤维、基体和界面等方面的内容。
一、纤维的微观结构纤维是高强度纤维增强材料的主要组成部分，其微观结构对材料的性能起着决定性作用。
常见的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维和聚合物纤维等。
碳纤维具有高强度和高模量的特点，其微观结构由多层石墨烯片堆叠而成。
玻璃纤维的微观结构则是由无定形的玻璃聚合物组成。
聚合物纤维的微观结构主要由聚合物链构成。
通过研究纤维的微观结构，可以进一步了解其力学性能和制备过程，为材料设计和改良提供依据。
二、基体的微观结构基体是纤维增强材料中纤维所嵌入的部分，其微观结构对材料的韧性和抗冲击性能具有重要影响。
常见的基体材料有金属、陶瓷和聚合物等。
金属基体的微观结构主要由晶粒组成，晶粒间存在晶界。
晶界对于材料的塑性变形和断裂韧性有重要影响。
陶瓷基体主要由氧化物组成，其微观结构由结晶颗粒和孔隙组成。
聚合物基体的微观结构主要由聚合物链和填充物组成。
通过研究基体的微观结构，可以优化其力学性能和制备工艺。
三、界面的微观结构界面是纤维和基体之间的区域，其微观结构对于纤维增强材料的性能和应用具有重要影响。
界面的性质包括界面粘接强度、界面应力分布和界面反应等。
纤维与基体之间的界面粘结强度决定了材料的强度和韧性。
界面应力分布会导致材料的应力集中和破坏。
界面反应会导致界面区域的变化和材料性能的衰减。
通过研究界面的微观结构和性质，可以改善纤维增强材料的界面性能，提高其力学性能和耐久性。
结论：高强度纤维增强材料的微观结构研究对于材料的开发和应用具有重要意义。
通过了解纤维、基体和界面的微观结构，可以优化材料的性能和制备工艺，提高材料的力学性能和耐久性。
未来，随着微观结构研究、材料设计和加工技术的不断发展，高强度纤维增强材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大贡献。
PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析
PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析井敏;谭婷婷;王成国;冯志海;杨云华【摘要】采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、小角X射线散射仪对三种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维T300,T700S,和T800H的结构进行表征,获得几种微观结构信息,包括表面沟槽形貌和拉断断口形貌反映出的前驱体原丝的原纤结构、石墨微晶尺寸及取向程度、微孔尺寸等.结果表明,碳纤维的力学性能不是由某一种微观结构决定的,而是所有微观结构特征的综合表现.T300是三种碳纤维中力学性能最低的,它的这几种微观结构特征参数都较差；T700S比T300的直径略小,但因结构更致密,缺陷更少,所以拉伸强度、断裂伸长率和密度远远高于T300；虽然T800H的原纤结构不如T700S均匀致密,但在单丝直径、剪断断口形貌、石墨微晶取向度和微孔尺寸上优于T700S,因此拉伸强度、拉伸模量和密度更高；但其石墨微晶轴向尺寸较大,造成塑性下降,因此断裂伸长率略小于T700S.%The micro-structures of 4 three kinds of carbon fiber products of T300, T700SC and T800HB were characterized by using scanning electron microscope, X-ray diffractometer and small angle X-ray scattering system. The micro-structure information was obtained including the fibril structure reflected by the surface groove morphology, the graphic micro-crystal size and orientation degree, the micro-pore size. The experimental results show that the mechanical properties of the carbon fiber are not determined by some micro-structure characterization, but an expression of all micro-structure characterization. The mechanical properties of T300 are the worst a-mong the three kinds of carbon fibers. Its five micro-structure parameters are all the worst. The diameter of T700S is little smaller than that of T300, however, its structureis compacter and defects are less, it is the reason that why the tensile strength, the tensile modulus and the elongation of T700S are higher. Although the fibril structure of T800H is not better than that of T700S, its filament diameter, shear fracture morphology, graphic micro-crystal orientation degree and micro-pore size is better than that of T700S, which causes that its tensile strength, tensile modulus and density are higher than T700S. However, the larger graphic crystal size of T800 can cause the decreasing of the plasticity along axial direction. Therefore, the elongation of T800H is little smaller than that of T700S.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)001【总页数】8页(P78-85)【关键词】碳纤维;微观结构;力学性能【作者】井敏;谭婷婷;王成国;冯志海;杨云华【作者单位】山东建筑大学材料科学与工程学院,济南250101;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TB321聚丙烯晴（PAN）基碳纤维具有质轻、高比强、高比模、耐高温等优点，用其作为增强材料制备的复合材料，在航空航天等领域有广泛的应用［1～5］。
PAN基碳纤维复合材料
预氧化（稳定化）
原丝的化学结构发生变化，转化成为可以承受高温处 理的梯形高分子结构，其很大程度上决定了纤维的最终结 构及其最终的力学性质。
主要发生的反应为脱氢、环化及氧化反应。环化反应 是稳定化中最关键的一步。
碳化
一、1500℃的热处理（炭化）
所有非碳元素均以适当形式的副产物而消除，并形成了类石墨结构。
前景达210亿元。
贰
PART TWO 结构特性 PAN基碳纤维的碳化率高于黏胶基碳纤
维和沥青基碳纤维（可达到45%以上），且
力学性能，尤其是抗拉强度、抗拉模量等为
节气 特辑
三种碳纤维之首。
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN基碳纤维的主要性能
高温碳化温度处理 后杨氏模量的变化
肆
PART FOUR 用途
PAN基碳纤维不仅力学性能居三种碳纤维之首，并且 在生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都比黏胶基碳纤 维和沥青基碳纤维简单、成本低。这也就决定了其的应用 领域最广，产量最大。
PAN基碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
外文文献
聚丙烯腈(PAN)是一种用途广泛的人造聚 合物，自上世纪40年代中期首次大规模 生产以来，已在大量产品中得到应用。在 PAN的所有应用中，应用最广泛的是用于 制造碳纤维的前驱纤维。PAN基碳纤维生 产过程包括纺丝、热稳定和炭化三个阶段。 PAN基碳纤维的性能与前驱纤维的质量， 特别是与热稳定化的工艺参数密切相关。 这篇论文是第一个全面的综述，提供了对 PAN 基碳纤维结构、性能和稳定过程之 间的联系的一般认识，以及使用数学建模 作为一个强大的工具，预测和优化所涉及 的过程。由于数学模型的承诺是预测系统 未来的行为和变量的价值，为不可见或未 测量的领域的变量;在工业4.0崛起的时代， 这篇综述将有助于进一步了解碳纤维制造 的复杂过程，并利用先进的数学模型，利 用机器学习技术来预测和优化一系列控制 PAN和合成碳纤维质量的关键因素。
碳纤维显微结构
碳纤维显微结构碳纤维是一种高强度、高模量、轻质的材料，因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
碳纤维的显微结构是其性能优异的基础。
本文将从碳纤维的组成、制备方法和显微结构三个方面详细介绍碳纤维的显微结构。
一、碳纤维的组成碳纤维是由高分子聚合物原料经过加工制备而成。
其主要成分为聚丙烯腈（PAN）、煤沥青和纤维素等。
其中，PAN是制备碳纤维最常用的原材料之一。
PAN具有较高的分子量和较好的拉伸强度，在经过预氧化处理后，可以形成具有良好机械性能和导电性能的碳化物。
煤沥青和纤维素也可以作为原材料，通过热解反应得到碳化物。
二、制备方法1. PAN法PAN法是制备碳纤维最常用的方法之一。
该方法主要包括以下步骤：（1）聚合物制备：将PAN溶解在有机溶剂中，通过聚合反应得到聚合物。
（2）拉伸成型：将聚合物拉伸成形，形成纤维状结构。
（3）预氧化处理：将纤维状结构的聚合物经过预氧化处理，使其含氧量增加。
（4）碳化处理：将经过预氧化处理的聚合物在高温下进行碳化反应，得到碳纤维。
2. 煤沥青法煤沥青法是一种较为传统的碳纤维制备方法。
该方法主要包括以下步骤：（1）原料选择：选择高质量的煤沥青作为原材料。
（2）热解反应：将煤沥青在高温下进行热解反应，得到碳化物。
（3）拉伸成型：将碳化物拉伸成形，形成纤维状结构。
（4）高温处理：将纤维状结构的碳化物在高温下进行再次热解反应和晶化处理，得到具有良好性能的碳纤维。
三、显微结构碳纤维具有复杂的显微结构。
其主要由基体、纤维束和微晶体等组成。
其中，基体是碳纤维的主要成分，由碳化物和非晶态碳组成。
纤维束是由多根单个纤维组成的结构，其直径通常在10-20μm之间。
微晶体是指碳化物的结晶区域，其大小通常在0.1-1μm之间。
碳纤维的显微结构对其性能具有重要影响。
基体中非晶态碳含量越高，则其强度和韧性越好；而微晶体的尺寸越小，则其强度和模量越高。
总之，碳纤维是一种具有优异性能的材料，其显微结构也十分复杂。
pan纤维致密化过程对纤维晶态结构的影响
pan纤维致密化过程对纤维晶态结构的影响近年来，随着纤维功能材料的研究和应用不断发展，纤维结构的制备方式及其影响因素也受到了研究者的广泛关注。
Pan纤维是一种具有高强度、高模量、耐高温等特性的高性能纤维，其致密化过程对于纤维的机械性能和结构质量至关重要。
因此，了解Pan纤维致密化过程对纤维晶态结构的影响及其机制，具有重要的研究价值和应用价值。
准备Pan纤维材料时，首先需要开展致密化处理，以提高材料的机械性能。
Pan纤维致密化过程包括多种处理方式，如热处理、化学处理、拉伸处理等。
其中，热处理是常用的Pan纤维致密化方式，可以有效地改变Pan纤维的晶态结构，增加纤维的结晶度。
Pan纤维结构中含有多种金属杂质，热处理可以有效地改变杂质元素的结构和晶态。
同时，杂质元素起到了类似筛子的作用，对离子在纤维中的滑移及其影响晶体结构至关重要。
此外，Pan纤维热处理过程中受热环境因素、受热条件和处理时间的影响，也可能改变Pan 纤维的晶态结构，从而影响纤维的性能。
除此之外，Pan纤维致密化过程中还可能发生化学反应，影响纤维结构的结构质量和晶态变化。
一些研究表明，Pan纤维在致密化过程中可能会发生微小的化学反应，如碳量的增加，碳纤维中碳的氧化和析出，石墨烯层间滑移和积累等，这些反应可能会改变Pan纤维的晶态结构，从而导致纤维机械性能的变化。
此外，拉伸处理也是Pan纤维致密化过程中常见的处理方式。
拉伸处理既可以塑性变形，又可以改变晶态结构。
研究表明，在低温下，Pan纤维拉伸可以改变纤维晶态结构，影响纤维的机械性能；在高温下，Pan纤维的拉伸可能会发生孔洞的形成，从而使纤维失去晶状结构。
综上所述，Pan纤维致密化是纤维特性的一个关键环节，其致密化过程对纤维晶态结构有着重要的影响。
热处理、化学处理和拉伸处理都可以改变Pan纤维的晶态结构，进而影响纤维的性能。
因此，研究Pan纤维致密化过程对纤维晶态结构的影响及其机制，具有重要的研究价值和应用价值。
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PAN 基高模量碳纤维微观结构研究韩赞张学军田艳红杨延风沈曾民(北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京100029)摘要采用X 射线衍射(X -ray diffraction,XRD)和拉曼光谱(Raman 光谱)研究了3种自制PAN 基高模量碳纤维(1#,2#,3#)的微观结构,并与M40J,M46J,M55J 碳纤维进行了对比。
结果表明:3种自制PAN 基高模量碳纤维微晶尺寸的大小顺序为3#>2#>1#;1#到3#碳纤维表面和截面Raman 光谱所获得的R 值(D 峰和G 峰的积分强度比)均减小,石墨化程度升高,结晶性变好;1#碳纤维的结晶性介于M40J 碳纤维和M46J 碳纤维之间,2#和3#介于M46J 碳纤维和M55J 碳纤维之间;三者的石墨化程度略高于M46J 碳纤维。
关键词高模量碳纤维微观结构结晶性石墨化中图分类号:TB332;V21414118文献标识码:A文章编号:1009-8518(2010)05-0065-07Microstructure of PAN -based High Modulus Carbon FibersHan ZanZhang XuejunTian YanhongYang YanfengShen Zengmin(Key Laboratory of Carbon Fiber and Functi onal Polymers,Mini stry of Education,Beijing Universi ty of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract The microstructure of three kinds of self-made PAN-based high modulus carbon fibers (1#,2#and 3#)was investigated by X-ray diffraction and Raman spectroscopy,and was c ompared with that of carbon fiber M40J,M46J,M55J.The results showed that crystal size was in the order of 3#>2#>1#.From 1#to 3#,and R values which were obtained from the surface and cross section Raman spectrosc opy of carbon fiber decreased,when the degree of graphitization increased,the crystalline of carbon fibers are better.The crystalline degree of 1#was between that of car -bon fiber M40J and M46J,while the crystalline degree of 2#and 3#was between that of carbon fiber M46J and M50J,the degree of graphitization of three kinds of self-made carbon fibers was a little higher than that of carbon fiber M46J.Key words High modulus carbon fiber Microstructure Crystalline Graphitization收稿日期:2010-05-27基金项目:国家高科技研究发展计划(863计划)资助1 引言碳纤维具有高比强度、高比模量、低密度、低膨胀、耐高温、耐烧蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热等一系列优异性能,常作为先进结构复合材料最重要的增强材料。
近年来,随着制备技术的进步、生产规模的扩大以及生产成本不断降低,在医疗器械、交通运输、体育用品及休闲娱乐等民用工业领域的应用也在逐步扩大。
作为碳纤维家族中的一个重要品种,高模量碳纤维是指碳化后再在惰性气体的保护下于2000e ~3000e 的高温条件下经石墨化处理而得到的具有较高强度和极高模量的碳纤维,也被称为石墨纤维[1-4],在国防、航空航天等高科技领域都得到了较为广泛的应用。
由于碳纤维的宏观力学性能直接依赖于碳纤维的微观结构[5-7],因此研究碳纤维的微观结构,分析微观结构和性能之间的相关性,进而通过制备工艺控制碳纤维微第31卷第5期2010年10月航天返回与遥感SPACEC RAFT RECOVERY &REMOTE SENSI NG6566航天返回与遥感2010年第31卷观结构的形成与演变,对于提高碳纤维的强度和模量尤为重要[8-9]。
本文利用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和Ra man光谱研究了自制1#,2#,3#碳纤维的微观结构,并与M40J,M46J,M55J三种碳纤维进行了比较。
2实验材料和方法211实验材料样品:自制1#,2#,3#碳纤维以及日本东丽公司生产的M40J,M46J,M55J碳纤维。
原料预处理:所有样品在表征测试前,均在丙酮中抽提48h以上,以避免纤维表面所附着的杂质对测试造成的影响。
首先将碳纤维束丝用滤纸包裹好,然后将其放进索氏提取器中。
组装好索氏提取装置,加入一定体积的丙酮,以丙酮为溶剂,抽提回流48h。
索氏提取处理结束后,将碳纤维放于120e真空干燥箱中干燥4h后,再放入装有干燥剂(无水氯化钙)的干燥器内。
212碳纤维微观结构测试方法采用XRD和Raman光谱两种测试方法,测试1#~3#自制PAN基高模碳纤维及日本产MJ系列碳纤维的微观结构参数及石墨化程度。
XRD实验采用荷兰帕纳科公司的X.Pert PRO多晶转靶衍射仪。
测试条件:采用Cu的K A辐射(K= 0115418nm),管压为40kV,管流为150mA,步宽为0.02b,扫描速率为9(b)/min。
仪器采用硅作为校正,测试时将纤维平行一排固定在纤维附件上,分别进行赤道扫描、子午扫描和方位角扫描。
Raman散射实验采用英国Renishaw公司生产的RM2000型激光器。
测试条件:波长为514.5nm(氩离子),MJ系列碳纤维的Raman迁移范围为700~2000c m-1,自制碳纤维的Raman迁移范围为1000~3200 c m-1,显微尺寸范围为\1m,光谱分辨率为1cm-1,扫描时间为30s,累加次数为10次。
分别进行纤维表面和截面的Raman散射实验,得出6种碳纤维表面与内部的石墨化程度,比较6种碳纤维谱图的差别,并比较碳纤维表面与内部的石墨化程度的差别。
数据利用origin8.0PFM进行曲线拟合。
3实验结果分析将1#~3#自制碳纤维与日本产MJ系列碳纤维实验得到的结构参数进行比较,分析两个系列碳纤维的微观结构差异。
311XRD测试结果分析石墨微晶层间距d002、微晶堆砌厚度L c、微晶基面宽度L a、取向角Z是评价碳纤维微观结构的主要指标[10-12]。
d002值的大小和002晶面衍射峰峰形的宽窄可以反映材料的石墨化程度的高低,d002值越小,002峰越窄,表示石墨化程度越高。
d002和L c利用XRD赤道扫描图中的002峰的半峰宽来计算,而L a利用XRD 子午扫描图中的100晶面衍射峰来进行计算[10]。
计算公式如式(1)至(3):2sin H d002=K(1)L c=K K/(B002cos H)(2)L a=K K/(B100cos H)(3)式中H为散射角;K为X衍射线的波长(K=0.154178nm);B002和B100分别为002峰和100峰的半峰宽;K 为形状因子,计算L c时K值取为0.9,计算L a时K值取1.84。
根据d002和L c可以计算出碳纤维中石墨微晶所包含的碳原子网络平面层数,即微晶堆叠层数。
纤维微孔含量的分析可用广角XRD测量,并按式(4)进行计算。
V p=1-Q f d002/(Q g d g)(4)式中Q f为纤维的密度;Q g为石墨晶体的密度(2.266g/cm3);d g为石墨晶体的层间距(0.3354nm)。
图1为1#,2#,3#和三种MJ 系列碳纤维的赤道扫描XRD 谱图。
图2为该6种碳纤维的子午扫描XRD 谱图。
由图1和图2可知,1#,2#,3#三者的峰形基本是相同的,但是各个峰的相对强度和半峰宽略有不同:1#,2#,3#碳纤维各个峰的半峰宽依次减小,其中3种自制碳纤维002峰的半峰宽均介于M40J 和M46J 之间(图1);1#的100峰和110峰的半峰宽介于M40J 和M46J 之间,2#和3#的100峰和110峰的半峰宽略小于M46J 。
由此可以得出,这6种碳纤维中M55J 的微晶尺寸最大,石墨化程度最高;M40J 的微晶尺寸最小,石墨化程度最低。
图1碳纤维的赤道扫描图 图2碳纤维的子午扫描图根据上述XRD 扫描谱图,计算MJ 系列及自制1#~3#碳纤维的微观结构参数,计算结果见表1。
表1 XRD 测得的碳纤维微观结构参数型号d 002/nm 2H (002)/(b )L c /n m 2H (100)/(b )L a /nm V p /%层数1#0.343425.93 4.80242.9013.2318.4132#0.342925.98 5.10242.7516.0213.6143#0.342226.04 5.51642.6916.3214.015M40J 0.348625.53 3.39843.1811.1318.810M46J 0.344825.82 5.70243.3311.8016.517M55J0.343525.916.19142.9815.4413.718由1#,2#,3#碳纤维的微观结构参数可知:三种碳纤维的L c 和L a 值依次增大,d 002依次减小,V p 依次减小,微晶堆叠层数依次增加,表明1#到3#碳纤维的结晶度逐渐增强。
2#和3#碳纤维的L a 值比较接近,说明这两种纤维微晶片层大小相近。
与MJ 系列碳纤维相比,1#~3#碳纤维的L c 介于M40J 和M46J 之间,但L a 比M46J 大,而且2#和3#的L a 比M55J 大,1#到3#碳纤维的微晶堆叠层数分别为13,14,15层,比M46J 的堆叠层数少。
此外,图1中6种碳纤维的100峰比较弱,即使石墨化程度较高的M55J 碳纤维,其100峰仍然很弱,这说明即使碳纤维的石墨化程度较高,但仍由乱层石墨结构组成;004峰比较弱,说明微晶在C 轴方向(图3)的发育程度比较弱。