中间相沥青基碳纤维原丝用油剂的研究现状

碳纤维已在众多领域发挥着越来越重要的作用,质量是其应用的保障,碳纤维原丝用油剂则是其中一个极其重要的质量把控点。经过多年的努力,我国中间相沥青基碳纤维已处于工程化开发进程中,因此亟需专用油剂以保障碳纤维产品的性能与质量。对国内外沥青基碳纤维原丝专用油剂的研究情况进行了总结和分析,具体涉及油剂分类、成分及其功能,以及上油工艺等,重点讨论了油剂成分及上油工艺的改进情况,并对我国中间相沥青纤维油剂今后的研发方向进行了探讨,以期为本行业的研究人员提供一定的帮助。

高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析

中间相沥青基炭纤维具有低电阻、高导热特性,是目前最具发展前景的功能型导热、散热材料,但是国内对其微观结构和性能的研究报道较少。对国外高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行了分析,同时将实验室研发的不同截面形状中间相沥青基炭纤维进行比较。研究结果表明中间相沥青基炭纤维具有的高导热特性源于其内部三维有序堆积的类石墨层状结构和较为完整生长的石墨晶体。热处理温度越高,其类石墨晶体生长越完善,层片取向程度越高。与圆形截面辐射状结构中间相沥青炭纤维相比,带状截面炭纤维有效解决了劈裂问题,其石墨片层间距为0.337nm,层片堆积高度达到26.77nm,轴向热导率高于800W/(m.K)。

纺丝工艺对带形中间相沥青基石墨纤维取向结构及热导率的影响

中间相沥青经熔融纺丝、不熔化、炭化石墨化制备了带状高导热石墨纤维.鉴于纺丝工艺对中间相分子的轴向和截面取向度的重要影响,研究了喷丝板结构和纺丝温度对中间相沥青基石墨纤维(MPGF)的取向结构和传导性能的影响.结果表明:对矩形截面喷丝的微孔,在最佳的纺丝温度下,截面长宽比越大,初生纤维内分子的取向度越高,MPGF的传导性越好.当长宽比和纺丝温度分别为9:1和305℃时,MPGF的取向度较高(97.8%),热导率达到894W/(m.K);长宽比继续增大时,更高的剪切作用致使纤维内应力较大,纺丝稳定性变差.

SiO_2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合材料的制备与表征

以正硅酸乙酯、乙醇和去离子水为原料,采用溶胶-凝胶法制备了SiO2溶胶;并以煤沥青为原料,采用自挥发发泡法制备了中间相沥青基泡沫炭。然后采用浸渍工艺将SiO2溶胶和中间相沥青基泡沫炭在常压下进行复合,制备了SiO2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合隔热材料。利用XRD、SEM、热导仪和万能试验机等设备分别研究了SiO2气凝胶、中间相沥青基泡沫炭以及SiO2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合材料的结构和性能。结果表明,所制备的复合材料具有一定的力学性能,同时其隔热性能优于单一泡沫炭的隔热性能,有望成为一种新型的隔热材料。

高温处理对中间相沥青基炭纤维结构与热导率的影响（英文）

采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman)及X射线衍射仪(XRD)考察了中间相沥青基炭纤维在不同热处理温度下的结构及形貌变化,并采用3ω法对经不同温度处理后的纤维热导率进行了表征。结果表明,中间相沥青基炭纤维的石墨化度与热导率随着热处理温度的升高而增大,经3000℃处理后纤维的热导率最高可达518W/m·K。此外,还探讨了中间相沥青基炭纤维结构、热导率及热处理温度之间的相互关系,发现中间相沥青炭纤维的石墨化过程存在3个阶段,在不同温度区间内分别对应石墨微晶的生长和取向。

中间相沥青基活性泡沫炭的制备及其电化学性能研究

以中间相沥青为前驱体,经自挥发发泡法、KOH活化法制备的中间相沥青基活性泡沫炭作为超级电容器电极材料。采用扫描电镜、X射线衍射和低温(77K)N2吸附法对中间相沥青基活性泡沫炭的表面形貌和微观结构进行表征。中间相沥青基活性泡沫炭的比表面积为2700m2/g,总孔孔容为1.487cm3/g。通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试,考察了中间相沥青基活性泡沫炭作为超级电容器电极材料的电化学性能。在电流密度为0.02A/g时,中间相沥青基活性泡沫炭的比容量为240.48F/g,能量密度为33.4Wh/kg;在电流密度为5A/g时,比容量为166.68F/g,具有良好的电化学特性。

中间相沥青基活性炭微球/聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能研究

采用原位聚合法,以过硫酸铵为氧化剂,在比表面积为2945cm2/g的中间相沥青基活性炭微球(AMCMB)表面引发苯胺聚合,制备中间相沥青基活性炭微球/聚苯胺复合材料(AMCMB/PANI)。利用扫描电镜、X射线衍射和傅里叶变换-红外光谱分析,考察其微观结构和表面形貌;通过恒流充放电、循环伏安及交流阻抗测试,研究其在6mol/L KOH溶液中的电化学性能。在电流密度为0.02A/g时,AMCMB/PANI电极的比容量为387.72F/g,与AMCMB电极的比容量相比,提高了57.46%,说明少量聚苯胺的加入可以显著地提高电极材料的比容量;当电流密度增大1000倍时,AMCMB/PANI电极的比容量为157.68F/g,表现出好的大电流充放电能力。

中间相沥青基异形炭纤维的研究与应用

综述了中间相沥青基异形炭纤维的研制历史，总结了影响异形炭纤维性能的主要因素，简单介绍了异形炭纤维截面微观结构的研究进展，并对这一领域今后的发展前景进行了展望。

中间相沥青基碳纤维密度表征研究

分别采用浮沉法和密度梯度柱法对国内外中间相沥青基碳纤维的密度进行对比测试研究,测试结果发现密度梯度柱法测试精度高,稳定性更好。内部孔洞结构的沥青基碳纤维,其浮沉法与密度梯度柱法测试结果差异性明显高于内部基本致密的碳纤维。对密度梯度柱法测试条件进行优化,选取合适的试样长度(5 mm)和平衡时间(4 h),可测得较准确的中间相沥青基碳纤维密度,更能有效指导纤维研制与应用。

中间相沥青基中空炭纤维的制备及其性能的研究

利用狭缝形喷丝板，将热缩聚和催化缩聚两种不同方法制得的中间相沥青纺制成中空纤维。着重研究了热缩聚法中间相沥青制得的中空炭纤维的力学性能。研究表明，中空炭纤维的力学性能比实心炭纤维显著提高。本文对这种提高的原因进行了分析。

镀镍中间相沥青基碳纤维的吸波性能

为了改善中间相沥青基碳纤维的磁性能和吸波性能,通过化学镀工艺在中间相沥青基碳纤维表面均匀包覆了金属镍,研究了镀镍中间相沥青基碳纤维的磁性能和微波吸收性能。以镀镍中间相沥青基碳纤维作为吸收剂,环氧树脂为基体制备了单层吸波涂层,涂层的厚度为1.02 mm时,吸波涂层在15.4~18 GHz反射率R小于-10 dB,最大吸收峰在18 GHz,反射率R为-20.74 dB。探讨了镀镍中间相沥青基碳纤维的吸收机理,在含镀镍中间相沥青基碳纤维的吸波涂层中,镀镍中间相沥青基碳纤维作为偶极子在电磁场的作用下,会产生耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而电磁波能量转换为其它形式的能量,主要为热能,这是镀镍中间相沥青基碳纤维偶极子吸波涂层的主要吸波机理。

中间相沥青基碳纤维表面TaC涂层的研究

采用溶胶-凝胶(sol-gel)法在中间相沥青基碳纤维的表面制备了碳化钽(TaC)涂层。运用FTIR对钽溶胶、凝胶的特征基团进行了分析,借助X射线衍射、扫描电镜分析TaC涂层纤维的物相组成和微观结构,并利用热失重研究了涂层对碳纤维抗氧化性能的影响。研究结果表明,经过二次涂层,1600℃热处理后,碳纤维表面的TaC涂层均匀致密,无明显孔洞,呈连续的层状结构,涂层厚度约为150nm,且涂层中存在大面积的白色TaC颗粒。研究结果还表明,二次涂层后碳纤维起始氧化温度比无涂层碳纤维提高了250℃,且纤维在800℃以下几乎没有明显的失重,氧化终止温度也提高到870℃,该涂层提高了碳纤维的抗氧化性能。

中间相沥青基石墨纤维表面化学镀铜及性能表征

采用化学镀法对中间相沥青基石墨纤维(MPGFs)进行镀铜,探究了镀液温度和pH值对镀铜工艺的影响,利用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、X射线衍射仪(XRD)等表征了镀铜石墨纤维的表面形貌及成分,测试了其电阻率和镀铜层与石墨纤维的结合力。结果表明:当镀液温度为60℃、pH值为13.0时,MPGFs被均匀地镀上了一层致密的铜层,且两相之间结合良好。该镀铜石墨纤维的电阻率降低至7.52μΩ·cm。

中间相沥青基碳纤维电化学氧化表面处理的正交优化设计

利用正交法研究了电化学氧化法对中间相沥青基碳纤维表面处理过程中各因素对表面处理效果的影响,获得了优化的表面处理条件。利用傅里叶变换红外光谱扫描、X射线光电子能谱分析等手段,对优化的最佳条件下的表面处理效果进行表征。实验结果表明:采用浓硝酸预处理后,再进行电化学氧化表面处理可使碳纤维复合材料的层间剪切强度(ILSS)进一步提高,可达45.324MPa,较未经硝酸预处理而直接进行电化学氧化表面处理的碳纤维提高了24.1%,较未表面处理碳纤维提高了49.4%。

中间相沥青基碳纤维与T800H碳纤维复合材料性能对比

利用山东瑞城生产的中间相沥青基碳纤维(6K)预浸料和T800H碳纤维(6K)预浸料制备了单向复合材料板,并对其性能进行了测试对比。结果表明沥青基碳纤维复材板0°方向的拉伸强度、ILSS、弯曲强度和压缩强度均低于T800H,但其模量均明显高于T800H;导热性能方面,沥青基碳纤维复合板0°方向导热率为311 W/(m·k),而T800H仅为7 W/(m·k)。中间相沥青基碳纤维是国内量产成功的新型特种材料,本文为其使用方向提供了借鉴。

中间相沥青基碳纤维表面特性和界面粘结性能

针对高模量、高热导率中间相沥青基碳纤维复合材料界面性能弱等瓶颈问题,深入研究该类纤维表面特性及其与树脂的界面粘结性能。选取3种典型中间相沥青基碳纤维,测试分析其微观形貌、表面能和极性与色散分量、表面元素种类与含量,利用微脱黏方法表征中间相沥青基碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度。研究结果表明:中间相沥青基碳纤维表面均存在明显沟槽结构,但其呈化学惰性,选用的中间相沥青基碳纤维与环氧树脂界面剪切强度最高约为50 MPa,明显低于聚丙烯腈基碳纤维;纤维表面能越高,尤其是极性分量越高,中间相沥青基碳纤维/环氧树脂界面剪切强度越大,这些结果揭示了中间相沥青基碳纤维与树脂基体界面性能主控因素。

中间相沥青基高导热碳板的制备

本文以中间相沥青为原料,采用氮压式单孔纺丝机进行熔融纺丝,对所获得的中间相沥青纤维进行适度的预氧化处理后通过热压成型工艺进行自烧结成型,并对其分别研究了硼(B),钛(Ti),钛—硼(Ti-B)三种体系的催化石墨化,借助红外分析,扫描电镜,能谱分析,导热率测量等手段研究了催化石墨化效果。研究结果表明,260℃预氧化处理的中间相沥青纤维经热压成型可制备出高导热率的碳板,使用Ti-B催化体系催化效果明显,在此体系下制备的材料导热率高达996.45W/M·K。

不同晶体取向中间相沥青基带状炭纤维的制备与表征

以中间相沥青为原料,采用不同长宽比的矩形截面喷丝板,通过控制熔融纺丝时的收丝速率,制得了具有不同截面尺寸和晶体取向的高定向中间相沥青基带状炭纤维,并研究了热处理温度和喷丝孔截面尺寸对所得炭纤维结构和性能的影响。结果表明,喷丝孔的形状和收丝速度对炭纤维的晶体取向有显著影响。当收丝速度一定时,随着喷丝孔截面长宽比的减小,带状炭纤维截面碳晶体层片由褶皱平行取向结构向辐射状垂直取向结构转变。随着热处理温度的升高,所制得炭纤维的室温轴向电阻率显著减小,热导率相应增大,力学性能明显提高;随着收丝速率的增大,带状炭纤维室温轴向电阻率变化不大,但对其力学性能有显著影响。当喷丝孔截面长宽比和纺丝速度分别为30:1和75 m/min时,2500℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为2.53 GPa和234.77 GPa。

中间相沥青基碳纤维及其在飞机上的应用

中间相沥青基碳纤维具有模量高、强度大、密度低、导热性能好、耐热性能好、耐腐蚀、抗蠕变、电磁屏蔽等一系列优异性能。尤其以突出的高模量、高导热性能弥补了其他纤维在一些高端领域的不足。在航空航天、工业机器人、轨道及车辆轻量化材料、集成电路基板、高能密度电子仪器散热片、高压储罐、工业辊轴等领域具有广阔的应用前景。自1964年,日本研发出用沥青生产碳纤维的技术至今,许多国家都相继进入到沥青基碳纤维的研发领域,也有少数企业掌握了沥青基碳纤维生产技术,产品具备较高的性能,但纵观全球碳纤维领域,沥青基碳纤维的产量远不及PAN基碳纤维,而沥青基碳纤维极高的模量和导热性能却是其他纤维无法媲美的。近年来,随着碳纤维复合材料的深入研究和实践积累,碳纤维复合材料在飞机上的应用取得较大进展,不仅实现了轻量化的要求,而且通过合理地设计还可以达到耐高温、抗疲劳、抗震、耐腐蚀、耐久性等其他材料无法实现的性能。本文主要介绍了沥青基碳纤维的结构、性能特点以及主要应用领域,并由此对其在飞机上的应用做相应的预测,旨在向相关行业介绍这种高性能关键材料,为生产和应用搭建一个交流学习的桥梁。