沥青基碳纤维的制备工艺、反应机理及调控方法

沥青基碳纤维是重要的工程碳纤维之一,在航空航天、国防军工等领域具有广泛应用。沥青基碳纤维制备流程长、影响因素多,归咎于对其制备工艺、反应机理及调控方法的认识不足,迄今工业化生产强度性能优异的沥青基碳纤维仍面临诸多困难。以碳纤维生产流程为主线,针对原料预处理、沥青前驱体调制、熔融纺丝、预氧化及炭化与石墨化的现状、方法、机理及调控进行深入探讨分析。沥青基碳纤维的原料有煤系、石油系、生物质系、高分子系和纯化合物,原料预处理方法主要有蒸馏和萃取;沥青前驱体的调制本质是以氢转移反应和自由基反应并行的液相炭化反应,包括环化、芳构化、低聚和缩聚等复杂的反应过程。芳烃低聚物在高温下缩聚形成稠环芳烃片状大分子的基本结构单元,基本结构单元经过热运动不断聚集,形成聚集体;由于范德华力作用使基本结构单元相互堆叠,形成平行堆积体,进而通过层积、堆积等过程形成基本构筑单元聚集体。基本构筑单元聚集体在不同反应条件下可以转变为长程无序、短程有序的难石墨化结构,也可以转变为长程有序、短程有序的易石墨化结构。以煤系、石油系和生物质系物质为原料调制沥青前驱体时,因其反应活性好,通常选用设备简单、操作容易、成本低廉的热缩聚法;而当以萘、甲基萘等纯化合物为原料时,因其反应活性差,需要较高的温度才能引发自由基反应,故通常采用催化合成法。熔融纺丝宏观上起到塑型的作用,通过改变纺丝参数和喷丝板的形状分别可以调节碳纤维的直径和形状;此外,熔融纺丝对中间相沥青前驱体的重排分子作用尤为明显,使得石墨微晶更易沿轴向一维排列形成有序的石墨晶体结构。为使沥青纤维在炭化过程中不发生融化,需要将沥青纤维由热塑性转变为热固性,即通过轻微的氧化反应,让沥青中的稠环芳烃分子经历氧化、缩合、分解和脱水,从而形成特定的交联结构,最终在纤维结构中生成一定量的含氧官能团。炭化是使预氧化后的纤维经过复杂的化学反应和结构转变形成具有炭材料分子结构特征的碳纤维。炭化过程中,石墨微晶发生重排,非碳原子被移除,碳元素含量进一步升高;经过石墨化后,石墨晶体结构更加完整、取向度更高,使碳纤维向石墨纤维转变,强度性能更加优异。另外,针对沥青基碳纤维的突破方向,提出了从分子维度定向可控制备的思路;并为碳纤维生产过程中耗时耗能的预氧化步骤的优化改进提供了具体方法。

高导热沥青基碳纤维复合材料在航天器中的应用现状及展望

随着新一代航天器不断朝着超大型化、微小型化、高效能化方向发展,航天器对轻质高强高模高导热材料的需求日益迫切。相比传统的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,高导热沥青基碳纤维具有超高的热导率、更高的拉伸模量以及更低的热膨胀系数,是实现承载/传热/热尺寸稳定性功能一体化的理想材料,在航天领域得到了重要应用并展现出巨大应用前景。本文介绍了高导热沥青基碳纤维及其复合材料的性能特点、发展现状以及在航天器中的应用现状,重点从航天器热管理结构、热防护结构、高尺寸稳定性结构、多功能结构、电子设备外壳等方面综述了其应用现状,最后对高导热沥青基碳纤维复合材料的发展及应用前景进行了展望。

中间相沥青基碳纤维的制备工艺及应用

中间相沥青基碳纤维是以中间相沥青为前驱体,经过熔融纺丝、预氧化、炭化过程制备而来,以其高模量、高导热等优越性能,在航空航天、电工电子等领域有着广泛的应用,作为一种军民两用的高性能材料,具有广阔的发展前景。本文主要介绍了中间相沥青基碳纤维的制备方法、国内外发展现状及应用领域,同时阐明了我国高性能中间相沥青基碳纤维面临的挑战。

KH-560处理时间对PAN基碳纤维沥青复合材料性能的影响

以硅烷偶联剂KH-560改性的PAN基碳纤维为添加材料,制备了不同KH-560处理时间的PAN基碳纤维沥青复合材料。通过车辙试验、冻融劈裂试验和间接拉伸疲劳试验等研究了KH-560处理时间对沥青复合材料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳性能和吸声性能的影响。结果表明,经过KH-560处理后的PAN基碳纤维表面的粗糙度增加,当KH-560处理时间为2 h时,纤维凹槽较深,与沥青的作用面积增大,纤维在复合材料中形成了致密网状结构,增强了PAN基碳纤维复合材料的稳定性。当KH-560处理时间为2 h时,PAN基碳纤维沥青复合材料的高温性能、低温抗裂性能、水稳定性和疲劳性能均最佳,此时其45和60 min的变形量、破坏劲度模量达到最小值,分别为1.851和2.117 mm、2 201 MPa;动稳定度、劈裂抗拉强度和破坏拉伸应变达到最大值,分别为3 077次/mm、4.6 MPa和3479με。在250~1 000 Hz和1 000~1 600 Hz范围内,当KH-560处理时间为2 h时,沥青复合材料的平均吸声系数均达到最大值,分别为0.116和0.127,较未处理的沥青复合材料分别提高了39.76%和45.98%,吸声降噪性能提升显著。综上可知,KH-560的最佳处理时间为2 h。

氰酸酯基碳纤维复合材料湿膨胀系数试验研究

湿膨胀性能是高尺寸稳定性结构材料的关键性能之一,湿膨胀系数(CME)是度量材料湿膨胀特性的主要指标。但目前针对复合材料的湿膨胀系数尚未形成标准的测量方法。文章针对氰酸酯基碳纤维复合材料的湿膨胀系数测量开展试验研究。首先,对比分析烘干后吸湿法和湿饱和后除湿法两种静态测量方法,结果表明湿饱和后除湿法的测试效率更高。随后,应用湿饱和后除湿法对M55J/氰酸酯和T700/氰酸酯两类碳纤维材料的典型铺层试验件开展湿膨胀系数的测量和分析。试验结果表明:同种材料单向层厚度更薄的试验件具有更低的CME;同种铺层角度和铺层厚度的多向层试验件中,M55J具有更低的CME;采用准各向同性铺层形式[0°/+45°/-45°/90°]_(S)的试验件较([0/+60/-60]_(S))_(2)的具有更低的CME。以上研究可为氰酸酯基碳纤维复合材料的湿膨胀特性研究和尺寸稳定性结构的湿变形分析提供参考。

美国Harper International公司承建沥青基碳纤维生产线试点项目

随着碳纤维材料在航空航天、汽车制造和高性能复合材料领域的广泛应用和对低成本、环保型碳纤维生产技术的需求日益增长,利用沥青基原料生产碳纤维的技术正逐渐成为研究的热点。近期,美国Harper International公司与加拿大阿尔伯塔创新机构(Alberta Innovates)签订合同,将在加拿大埃德蒙顿市的阿尔伯塔创新中心设计并安装一套生产沥青基碳纤维的科学生产线。相关设备交付和启动服务预计将在2025年完成。

煤沥青基碳点复合纳米纤维的制备及其储锂性能

以自制煤沥青基碳点为前驱体,聚丙烯腈为纺丝载体,采用静电纺丝法制备煤沥青基碳点复合纳米纤维(CNF@CDs)。通过SEM、XRD、Raman等对材料的结构和组成进行表征,采用恒流充放电测试手段对材料的电化学性能进行评估。结果表明:煤沥青基碳点添加量是影响CNF@CDs形貌、层间距及缺陷程度等微观结构的重要因素。采用CNF@CDs作为锂离子电池负极材料,当电流密度为100 mA/g时,CNF@CDs-2的首次放电比容量为827 mA·h/g;当电流密度为1000 mA/g时,其平均可逆比容量为104 mA·h/g,表现出优异的电化学性能。

沥青基碳纤维制备及应用

随着信息技术的飞速发展和全球工业化水平的不断提升,碳纤维作为一种高性能的新型材料,其在多个重要领域的应用日益广泛。特别是沥青基碳纤维,以其独特的性能和较低的生产成本,成为国家核心战略资源的关键部分。因此,本文深入探讨了沥青基碳纤维在国内外的发展现状、制备方法,及其在各个应用领域中的重要作用与贡献。

“沥青基”碳纤维行业经济走势分析

作为新型材料产业中的核心组成部分,沥青基碳纤维正遭遇着前所未见的增长机遇和困境。深入探讨了沥青基碳纤维产业的总体市场规模、当前的发展趋势、行业之间的竞争情况和经济效果,并对其投资潜力进行了详细的分析。在深入了解行业的内外部环境后,研究揭示了沥青基碳纤维行业在提高材料领域的市场竞争力和所面临的各种风险,为那些投资者在做出决策时提供了有力的支持。

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。

沥青基碳纤维的制备与应用研究进展

沥青基碳纤维具有高热传导能力和高模量优势,用其制备的高性能沥青基碳纤维复合材料广泛应用于军工和航空航天领域。综述了沥青基碳纤维的制备工艺以及应用现状,展望了沥青基碳纤维未来的发展趋势。

高性能沥青基碳纤维发展现状及制备工艺

碳纤维作为我国关键战略材料的重要一部分,是国家实施重大战略及发展高端装备的重要物质基础,在各个领域应用广泛、作用突出。系统介绍了高性能沥青基碳纤维的国内外发展现状、发展趋势以及制备方法与应用现状,并对未来的发展与即将面对的挑战与机遇进行概述。

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。

试析高性能沥青基碳纤维发展现状及制备工艺

沥青基碳纤维是一种以煤沥青、石油沥青和萘等芳烃物质作为基本原料,通过一系列纺丝、预氧化、炭化等工艺所研制的特殊纤维,其展现出高比模、高比热容、耐腐蚀、低密度和低磨损率等优势,不但可以作为功能材料加以使用,还可以作为结构材料的增强基,当前此种纤维材料已经在医疗器械、新能源、文体休闲和轨道交通等诸多支柱产业中获得广泛运用和高度认可。基于此,主要围绕高性能沥青基碳纤维的国内外发展现状、制备工艺流程和实践应用展开深入分析,以供参考。

XPS,AFM研究沥青基碳纤维电化学表面处理过程的机制

对各向同性沥青基碳纤维进行电化学氧化表面处理 ,用 XPS,AFM分析了碳纤维表面含氧官能团和表面微观形貌的变化过程。实验结果表明 :电化学氧化处理是表面碳及其含氧官能团逐步被氧化成羧基和 CO2 的过程。氧化处理首先是使碳纤维表面变得更光滑 ,持续氧化后才会出现沟槽 ,SEM的分辨率不足以表征碳纤维电化学氧化前后的表面形貌变化 ,而采用 AFM可在纳米尺度上表征碳纤维在电化学氧化过程中的表面形貌变化。AFM和

沥青基活性碳纤维研究──（Ⅱ）沥青纤维的碳化及活化

研究了沥青不熔化纤维的碳化、活化规律，分析讨论了各因素对沥青基活性碳纤维成型过程的影响。结果表明，要获得较高比表面积的活性碳纤维，不熔化纤维氧化增重应适当，碳化温度宜在７５０～８００℃，获得较大无定形碳的碳纤维。活化温度、活化时间、活化剂浓度也为影响沥青基活性碳纤维比表面积的主要因素。

沥青基碳纤维表面复合处理的研究

研究了硝酸氧化和硝酸－ 钛酸酯复合对沥青基碳纤维（Ｃ１２） 进行表面处理的影响。利用富里哀转换红外光谱扫描、接触角测定及Ｘ－ 射线衍射等手段，对表面处理各阶段碳纤维的性能与结构进行表征。复合处理与硝酸氧化的机理与效果不同，红外光谱中有新峰出现，纤维表面极性与浸润性发生了变化，认为复合处理方法将有利于拓宽碳纤维的应用范围。

沥青基碳纤维的制备方法及其产业化研究

阐述了沥青基碳纤维的主要性能和用途,介绍了通用级沥青基碳纤维的制备工艺方法,分析了国内外沥青基碳纤维的工业化生产现状,指出了发展国内沥青基碳纤维的生产将成为未来研究开发的重点。

短切PAN基碳纤维导电沥青混合料性能试验研究

为了确定碳纤维导电沥青混合料的合理碳纤维掺量,选用短切聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为导电相材料,通过大量室内试验分析了碳纤维掺量对导电沥青混合料AC-13C的马歇尔性能和导电性能的影响,并验证了其路用性能。结果显示,相同油石比下,随着碳纤维掺量的增加,导电沥青混合料的毛体积密度、沥青饱和度和马歇尔稳定度呈先增后减的变化趋势,空隙率和矿料间隙率呈先减后增的变化关系,而流值一直增大。通过对碳纤维掺量不同范围的沥青混合料分别采用AC、调整和SMA的技术标准,确定了合理的最佳油石比,且最佳油石比与碳纤维掺量之间呈良好的半对数相关关系。同时,在最佳油石比下,导电沥青混合料电阻率的对数与碳纤维掺量之间呈良好的幂函数关系,且0.1%碳纤维掺量的沥青混合料的各项路用性能指标均达到气候条件要求高的改性沥青混合料和SMA的技术要求。因此,适宜的碳纤维掺量对导电沥青混合料可起到优良的增强作用,并形成稳定的导电网络,综合各项性能和导电发热的技术要求,建议碳纤维的适宜掺量取0.1%。