调控纺丝温度提高中间相沥青碳纤维的力学和导热性能

湖南大学、湖南东映碳材料科技股份有限公司和北京航天材料及工艺研究所的研究人员在《新型碳材料杂志》上发表了题为“基于工程化设备通过调控纺丝温度提高中间相沥青碳纤维力学和导热性能”的论文。研究人员发现,通过调整纺丝温度,中间相沥青基碳纤维(MPCF)的机械性能和热导率可以在制备过程中得到显著提升。在纺丝温度为309℃的情况下,该碳纤维的导热系数和抗拉强度分别为704 W/(m·K)和2.16 GPa。当纺丝温度升至320.5℃时,该碳纤维的热导率和拉伸强度增加了约50%,分别达到1077 W/(m·K)和3.23 GPa。

中间相沥青碳纤维径向辐射结构形成机理研究

中间相沥青碳纤维(MPCF)由于沥青分子沿轴向高度取向,其径向结构容易呈现辐射状态。为研究辐射形成机理,研究了相同的不熔化沥青纤维在不同炭化温度下得到的中间相沥青碳纤维的径向结构。通过SEM,DSC,XRD,FT-IR以及强度测试表征发现,在不熔化纤维和较低炭化温度得到的碳纤维内部沥青分子通过含氧官能团交联,结构致密,辐射状结构不明显。随着炭化温度的升高,碳纤维内部含氧官能团分解,在600℃时纤维内部沥青分子发生芳构化、环化等反应,芳香平面分子连接构成碳网面。温度继续升高,碳网面逐渐堆积,微晶结构优化,形成条带状的辐射结构,当炭化温度达到900℃时碳纤维内部形成完全的层状条带结构。受到碳网面的收缩应力作用,这一过程中始终伴随纤维直径的收缩和辐射结构的强化。

正交试验法研究纺丝条件对中间相沥青碳纤维直径的影响

利用Taguchi正交试验方法探讨了沥青基碳纤维纺丝过程中影响纤维直径的纺丝工艺因素及其规律,结果表明:以纺丝温度、纺丝压力、卷筒转速和喷丝孔入口角等4个重要的纺丝工艺条件为考察因素时,卷筒转速是影响中间相沥青基碳纤维直径变化最重要的因素。中间相沥青基碳纤维直径随着喷丝孔入口角的增大而减小;随着纺丝温度的升高而增大;随着转速增大而明显减小。

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。

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。

进口中间相沥青碳纤维超高温石墨化处理后的特性分析

对P25、P55及XN-90三种进口中间相沥青碳纤维3000℃石墨化处理前后的微观形貌、晶体尺寸、力学性能、导电导热性能及其抗氧化性能进行了表征。结果表明,三种碳纤维微观结构差异较大,均呈现出较为明显的"指纹"特征。三种碳纤维中XN-90热处理温度最高,晶体尺寸最大,石墨化程度最高,抗氧化性能最好。经过3000℃石墨化处理后,三种碳纤维的晶体尺寸、石墨化程度及导热性能均有较为明显的提高;P25和P55纤维的拉伸强度显著提高,而XN-90纤维的拉伸强度有所降低,这与其石墨化后纤维芯部的孔洞变大有关。

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。

中间相沥青基碳纤维复合材料研究进展及发展前景

中间相沥青基碳纤维复合材料具有高模量、高热导率和高导电率的性能特点,是航空航天、5G技术及散热结构材料等高科技领域的核心材料,对我国科技发展影响重大。本文从国内外对中间相沥青基碳纤维复合材料的研究现状谈起,通过考察国内外传统和新型制备工艺以及材料的各项性能发现,目前我国仍处于实验期,材料性能相较于拥有完整制备流程的日本、美国仍有较大差距。应通过不断完善工艺流程、改善制备工艺、改良制备条件等方法,尽快实现中间相沥青基碳纤维复合材料的国产化和产业化。

溶胶共混纺丝制备水性中间相沥青基碳纤维

以针状焦(GNC)为原料,采用混酸一步氧化法制备水性中间相沥青(AMP)、混酸两步氧化法制备改进水性中间相沥青(FHAMP),分别与聚丙烯腈(PAN)共混溶解于二甲基亚砜(DMSO)形成溶胶,然后以稀硫酸为凝固剂,经溶胶纺丝、直接炭化制得水性中间相沥青基碳纤维;研究了AMP和FHAMP的溶解性、流变性、可纺性,以及相应的碳纤维的结构与性能。结果表明:相比AMP,FHAMP的粒径显著减小,氧化程度更高,能更好地溶解于DMSO;引入PAN,可有效提高AMP和FHAMP溶胶的可纺性;在纺丝温度50℃时,PAN质量分数为10%的AMP溶胶及PAN质量分数为8%的FHAMP溶胶均有较好的可纺性,连续收丝长度超过1000 m,FHAMP溶胶的纺丝稳定性更好;相比由AMP得到的碳纤维,由FHAMP得到的碳纤维截面结构较为致密,纤维直径减小至23.09μm,杨氏模量和拉伸强度分别提高至33 GPa和0.29 GPa。

中间相沥青基碳纤维表面处理的工艺浅谈

现阶段,我国各个领域都取得了很大的进步,碳纤维有着耐热性好、高强的优点,同时它的导电性也是十分突出的,因此经常被用在一些复合材料中,如碳基、树脂等,但是由于碳纤维高温抗氧化的性能比较差,如果在空气中400°C以上就会出现失重的现象,这时候纤维的强度会明显降低,这对材料来说也有着严重的影响,要想让碳纤维得到更加广泛的应用就要从多方面来进行考虑,这样才能看出最好的效果。本文就对中间相沥青基碳纤维表面处理的工艺进行具体的分析,希望能为以后该方面的工作提供一些帮助。

高导热沥青基碳纤维及热疏导C/SiC-ZrC复合材料的微观结构与导热性能研究

为了满足航空航天飞行器热结构部件对材料的耐温需求,需要提高陶瓷基复合材料的导热性能。传统聚丙烯腈基碳纤维增强C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料在室温至1600℃范围内的热导率仅为8~18 W/(m·K)。采用高导热中间相沥青基碳纤维作为增强体和导热通道,制备出热疏导C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料。该复合材料在宽温域范围内具有显著的高导热特性,当纤维体积分数约为60%时,沥青基碳纤维增强陶瓷基复合材料的室温热导率达到717 W/(m·K),随着温度升高,热导率逐渐降低,在1600℃时降低至140.1 W/(m·K),这种变化趋势主要是由于沥青基碳纤维在高温下声子热传导减弱导致的。

沥青组分对碳纤维径向结构影响的研究

采用混合各向同性、各向异性沥青的物理改性方法,得到混合沥青作为纺丝原料,经纺丝、不熔化、炭化得到不同径向结构的碳纤维。通过流变仪分析、SEM表征,研究沥青混合料的流变性及其对沥青碳纤维径向结构的影响,结果表明:在纺丝温度区间内,各向同性沥青的加入增加了沥青的黏度,使碳纤维径向辐射结构减弱;各向异性沥青的加入同样增加了沥青的黏度,但是并没有改变碳纤维辐射型径向结构。XRD结果表明:各向异性沥青微晶结构的有序性是造成碳纤维径向辐射结构的主要原因。

激光石墨化沥青基碳纤维的力学性能研究

为提升沥青基碳纤维的力学性能,采用自制的激光超高温石墨化装置对中间相沥青基碳纤维进行石墨化处理。通过改变实验过程中的激光功率、牵伸力及碳纤维直径等3个因素制备了多组样品,研究了沥青基碳纤维拉伸强度随温度的变化规律,并分析了石墨化过程中牵伸力及碳纤维直径对其力学性能的影响。结果表明:沥青基碳纤维石墨化能承受的最大激光功率为360 W,对应的温度约为3050℃,在此条件下处理得到的碳纤维拉伸强度由1.0 GPa提升至2.5 GPa;在碳纤维的承受范围内,其力学性能随着温度、牵伸力的增加而提高;直径较小的碳纤维力学性能提升更大。

高导热中间相沥青基碳纤维的氧化行为

以自制高导热中间相沥青基碳纤维(CFMP)为研究对象,采用M55J聚丙烯腈基碳纤维作为对照组,研究了CFMP在不同氧化温度和时间下的氧化行为。结果表明:CFMP表现出“外层褶皱辐射+内层洋葱皮”状结构特征,石墨微晶发育程度好,取向度高,发生氧化时氧气分子优先沿着CFMP褶皱辐射状炭织构之间的微裂纹或微孔扩散和反应,形成具有径向裂纹和局部凹坑的氧化特征。在低温氧化阶段,纤维的氧化行为受碳-氧化学反应控制,CFMP石墨微晶的活性位浓度低,所以起始反应温度比M55J高,氧化失重率比M55J低;在高温氧化阶段,纤维的氧化行为受扩散控制,CFMP内部的氧扩散路径多,所以氧化失重率比M55J高;同时氧化造成了CFMP微观缺陷尺寸更大、数量更多,氧化后纤维强度保留率仅为78%,低于M55J的85%。本文为高导热C/C复合材料的结构设计和实际服役提供一定的技术和理论参考。

基于共混纤维制备碳纸的工艺优化研究

碳纸作为气体扩散层的基底层材料,是燃料电池的核心组成部件之一。本文以聚丙烯腈基短切碳纤维(PANCF)/中间相沥青基短切碳纤维(MPCF)为原料,通过碳纤维分散、抄纸、浸渍、热压固化及碳化等工艺制备碳纸。研究考察了PANCF/MPCF比例、PANCF长度对碳纸性能的影响。结果表明,随着PANCF/MPCF比例增大,碳纸力学性能有所提升,但导电性能下降;随着PANCF长度的增加,碳纤维分散性有所降低,碳纸电阻率小幅增加,拉伸强度先增后减,弯曲强度呈上升趋势。当PANCF/MPCF比例为5∶5,PANCF长度为6 mm时,所制得的碳纸性能最佳,其电阻率为5.6 mΩ·cm,拉伸强度高达31.6 MPa,弯曲强度高达41.9 MPa。