碳纤维手工制样和机械制样断裂差异的探讨

以环氧树脂E44、丙酮为溶剂,三乙烯四胺为固化剂,采用手动制样和机械制样的方式制取碳纤维样条进行强度测试。试验发现:相比机械制样,手工制样样条强度无明显劣势;扫描电镜显示机械制样样条无明显胶珠,近乎所有断裂为整根崩裂,碳纤维被树脂包覆更加紧密、均匀。试验表明手工制样时胶液浸润度是影响碳纤维强度检测的重要因素。

扫描电镜法对测量碳纤维直径的影响

使用两台扫描电镜——KYKY-2800B和Hitachi Regulus 8100分别放大倍率1 000倍和2 000倍,对神鹰、晓星、光威、恒神、东丽公司共计5种碳纤维的直径进行了测量,通过纤维根数计算,判定最接近真实值的测量仪器为Hitachi Regulus 8100扫描电镜。在此基础上,以日本东丽碳纤维为试样,优化KYKY-2800B扫描电镜的放大倍率,得出其测量纤维直径放大倍率至少为1 500倍时,可将同一碳纤维试样直径测量的相对误差由4.35%降低至1.68%以下。此外,试验还证实了碳纤维上浆剂对直径测量结果影响不大。

PAN基碳纤维在石墨化过程中的拉曼光谱

采用激光拉曼光谱研究了PAN基碳纤维在石墨化(2000～3000℃)过程中的结构变化;比较了石墨化前后纤维表面和断面拉曼光谱特征。结果表明:高温石墨化后,碳纤维的一级拉曼光谱有3个峰(D,G和D′),表征碳纤维结构有序程度的拉曼参数主要有D和G峰的半高宽(FWHM)、G峰的拉曼位移和D与G峰的积分强度比R(ID/IG)。随着热处理温度的提高,D和G峰的半高宽、G峰的拉曼位移和R值均逐渐减小,即使经过3000℃高温处理后,D峰仍然存在,R值为0.19,说明纤维中仍存在无序结构。另外,R值与纤维中石墨微晶的基面宽度La成反比,石墨化后纤维取向性的增加使得表面和断面的拉曼光谱有明显的差异。因此,可利用激光拉曼光谱来定量表征碳纤维的石墨化程度和取向。

高模量炭纤维的研制

进行了高模炭（石墨）纤维工艺的研究。对五种用作石墨化原料的炭纤维进行了评价，选择其中四种进行了石墨化工艺的研究。结果表明，当原料纤维抗拉强度达到３．５ＧＰａ，模量在２３０ＧＰａ以上时，采用石墨化温度为２５００℃以上时，可制得强度为２．７ＧＰａ，模量３９０ＧＰａ的炭（石墨）纤维。同时，，还对高模量炭纤维的表面处理技术进行了研究。

PAN基碳纤维连续石墨化过程中的取向性

利用XRD研究了PAN基碳纤维在连续高温石墨化和热牵伸石墨化过程中纤维内石墨微晶沿纤维轴择优取向性的变化。结果表明:碳纤维中石墨微晶的择优取向性随石墨化温度的提高和热牵伸的增大而增加。两种工艺中纤维的拉伸模量均随微晶取向性的增加而增大,但在获得相同的模量下其取向参数却不同;碳纤维的拉伸模量不仅仅取决于石墨微晶的择优取向,而且与晶体的大小有关。另外,经过3000℃的高温处理后,纤维的择优取向参数Z仅为14.71°,说明纤维中乱层石墨的层面仍没有高度取向。

氨化处理对碳纤维表面性能及其复合材料的影响

利用多乙烯多胺溶液作为涂层液,涂覆在碳纤维表面,然后在600℃热处理30 s,水洗后烘干。采用原位红外光谱仪(FT-IR)、原子力显微镜(AFM)、接触角测定仪研究氨化处理前后碳纤维表面组成、形貌以及浸润性的变化。发现碳纤维经过氨化处理之后其表面形成了氨基官能团且氨基官能团以酰胺类形式存在,表面微小凸起减少,与环氧树脂和水的接触角分别降低了22%和32%。用三点短梁法研究碳纤维处理对复合材料层间剪切强度的影响。发现热处理可使复合材料的层间剪切强度提高6.65%;而氨化处理可使复合材料的层间剪切强度提高24%。力学数据表明氨化处理不会影响碳纤维强度。

高强度炭纤维微观结构分析及力学性能的比较

采用元素分析、SEM、XRD、Raman光谱等分析方法,研究了高强度PAN炭纤维T800H和T1000G的元素含量、表面形貌及微观结构参数等因素。结果发现,T1000G的含碳量高于T800H,含氮含量低于T800H;T1000G的表面光滑,而T800H的表面存在沿纤维轴方向的沟壑,表明前者的原丝可能是用湿纺纺丝,后者则可能是干喷湿纺纺丝。从两者的断面上均能看到颗粒状结构,T1000G比T800H的颗粒要小而紧凑;与T800H相比,T1000G的微晶尺寸(Lc、La)较大,取向性较好,微晶层间距(d002)和孔隙率(Vp)均较小,且表现出较好的致密性和均质性。因此T1000G具有较高的抗拉强度。

高比表面积PAN-ACF的吸附与孔结构解析

以 KOH为活化剂制备了比表面积大于 2 0 0 0 m2 / g的高比表面积 PAN基活性炭毡 (ACF)。以液氮为吸附介质在 77.4 K测试 PAN- ACF吸附等温线 ,并对其孔结构进行了表征。采用 BET法计算比表面积 ,t- plot法、Horvath- Kawazoe、Dubinin- Radushkevich方程以及密度函数理论 (DFT)表征孔结构。研究表明即使比表面积超过 30 0 0 m2 / g时 ,PAN- ACF的孔分布仍然很窄 ,并且含有大量的分子筛型孔。以金子克美等人提出多段吸附机理为依据 ,采用 DR方程对 PAN- ACF三段吸附过程所对应的 E0 、x进行了计算。结果认为低压段的负偏离在一定程度上是由于吸附势较强的微孔与表面官能团共同作用的结果 ,并非完全由于活化扩散引起。以上分析方法的表征结果具有较好的一致性 ,为 PAN- ACF的吸附性能与孔结构提供了准确的信息。

共炭化在中间相沥青调制中的应用

为对沥青进行分子改性，将共炭化反应应用于中间相调制，本文综述了几种不同的共炭化作用机理，并介绍共炭化作用的相容性原理。

PAN基炭纤维乱层石墨层间间隙原子的电子结构及其对力学性能的影响

以实验事实为根据，建立了ＰＡＮ基炭纤维（ＰＡＮ－ＣＦ）乱层石墨层间间隙原子结构模型，应用键距差方法分析间隙原子对ＰＡＮ－ＣＦ拉伸强度、压缩强度等力学性能产生影响的机制。

剑麻基活性炭纤维的制备及其碳化活化动力学

研究了剑麻纤维碳化活化反应动力学。结果表明，碳化活化反应符合一级动力学规律，反应速度与活性炭纤维的质量成正比例关系，并且随反应温度的升高，碳化活化反应速度常数也相应提高，反应速度常数随温度的变化关系符合阿累尼乌斯规律，剑麻基活性炭纤维的碳化活化反应的表观活化能为１２４ｋＪ／ｍｏｌ。

碳纤维表面氨化处理对环氧树脂在其表面浸润性的影响

分别用氧化方法和氨化方法对碳纤维进行表面处理,采用XPS研究不同处理方法对碳纤维表面元素组成以及官能团的影响。结果表明经过氧化处理后,碳纤维表面的氧含量明显增加,表面有较高的m(O+N)/m(C)比;氨化处理后,碳纤维表面的氮元素明显增加,氧含量减少,并且增加的氮元素主要以氨基的形式存在。采用接触角测试中的插入法和液滴法分别研究碳纤维处理后在水和环氧树脂中的接触角变化。结果表明,经过氧化和氨化方法处理后碳纤维与环氧树脂的接触角降低。氧化与氨化相比,氨化处理后碳纤维与环氧树脂之间有较低的接触角,表明在碳纤维表面增加氨基官能团能显著改善碳纤维和环氧树脂之间的浸润性能。

石墨纤维阳极氧化表面处理的研究

本文研究了ＰＡＮ基石墨纤维在四种铵盐电解液中阳极氧化表面处理的工艺条件。用ＳＥＭ和ＸＰＳ技术分析了处理前后纤维表面形态的变化，通过复合材料的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）对表面处理前后石墨纤维与环氧树脂之间界面粘结强度的改善进行了评价。

PAN基高模碳纤维阳极氧化的表面处理

采用阳极氧化法对PAN基高模碳纤维进行连续表面处理,重点研究了氧化电流密度对碳纤维宏观力学性能、表面形貌、表面酸性官能团以及碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,电流密度对纤维力学性能、表面形貌影响不大;氧化后纤维表面总的酸性官能团显著提高,最大增幅达13倍左右;适当的处理条件可使CFRP的ILSS从28.4 MPa提高到80 MPa以上。

中间相沥青纤维的氧化稳定化及炭化

本文主要研究了具有不同直径萘系中间相沥青纤维的氧化稳定化及炭化性质，结果表明，直径为１１μｍ和１６μｍ的细径中间相沥青纤维在空气中以０．５℃／ｍｉｎ的升温速度升至２６０℃和３２０℃，即可完全达到后续的炭化过程中完全不融化，且抗拉强度和模量分别达到最大值，而对于直径分别为２５μｍ和４７μｍ的沥青纤维，既使最终氧化温度很高，在炭化后的纤维中仍然形成所谓的“皮芯”结构，而且纤维越粗，“皮芯”结构中的芯部越大。炭纤维的抗拉强度及杨氏模量随沥青纤维的直径增大而减小，尽管在炭化过程中低的升温速度以及在炭化终温（１０００℃）长时间恒温，没有发现对最终炭纤维的断面结构及晶格参数有很大影响，但对炭纤维的力学性能有一定改善。

PAN系石墨纤维的拉伸断裂机制

1.前言目前我国生产的PAN基炭纤维,其抗拉模量在250GPa左右,抗拉强度约2.5GPa。将它们进行高温热处理(2000℃～3000℃),结果抗拉模量随热处理温度的升高而升高,可提高到400GPa以上,但其抗拉强度也随着热处理温度的升高而降低至2GPa以下。

一种新型的炭材料─中空炭纤维

一种新型的炭材料─中空炭纤维石颖，查庆芳，朱星明，刘朗（中国科学院山西煤炭化学研究所太原０３０００１）０前言中空炭纤维，也称管状炭纤维，是近年来开发出的一种新型炭材料。与普通炭纤维相比，中空炭纤维芯部是空的，这使它具有一些独持的性能。作为结构材料，中...

炭纤维微观结构研究现状与未来的浅见

总结了炭纤维微观结构研究的现状与问题，并预测这一研究领域的今后发展动向。

XPS在炭纤维表面研究中的应用

XPS是研究炭纤维表面元素组成及官能团种类的有力工具，对炭纤维表面进行不同深度的分析，能够深入了解炭纤维表面的氧化过程和氧化机制。化学改性方法的使用一定程度上弥补了XPS在定量方面的不足。通过与SIMS相结合，可以更有效地研究炭纤维表面元素与官能团的组成，以及炭纤维与树脂基体间的反应。