三种国产聚丙烯腈基高强高模碳纤维的结构与性能

以实验室自制的三种国产聚丙烯腈(PAN)基高强高模碳纤维为原料,利用扫描电镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、X射线衍射(XRD)以及拉曼光谱等测试手段,对比研究了三种碳纤维的内部微观特征结构,并通过软件分析建立了碳纤维内部微观结构与宏观性能之间的定量函数关系。结果显示:随着碳纤维模量增加,纤维内部石墨晶粒尺寸几乎趋于一致,且石墨晶粒之间排列紧密;XRD图谱中002特征峰峰位角会随着模量提高逐渐向高角度迁移;碳纤维拉曼光谱上的D峰和G峰宽度均随模量增加而明显减小;随着纤维直径增加,碳纤维拉伸强度逐渐提高、拉伸模量逐渐下降;碳纤维的拉伸强度与石墨微晶层间距(d_(002))、微晶堆砌厚度(L_(c))存在线性关系,随着d_(002)下降、L_(c)的增加,纤维拉伸强度线性下降;而碳纤维拉伸模量会随着d_(002)下降、L_(c)增加而提高;与碳纤维拉伸模量相比,纤维拉伸强度与纤维表面无序化程度具有更高的关联性。

电化学氧化对高强高模碳纤维表面结构及力学性能的影响

利用循环伏安多重扫描法分析了不同电解质的氧化能力及其氧化特点,讨论了在表面氧化处理中不同电解液体系对高模高强碳纤维力学性能的影响,提出了适合高强高模碳纤维表面处理的工艺条件,并通过Raman光谱、XPS与SEM的表征,研究了电化学氧化对高强高模碳纤维表面结构及力学性能的影响。研究结果表明,与NH4H2PO4溶液相比,用NH4H2PO4与CH3COONH4复合的电解质溶液对碳纤维进行表面处理,能大幅度提高纤维表面含氧官能团,而且纤维表面sp2杂化碳原子相对含量也较多,在提高了碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)的同时,还较好地保持了高强高模碳纤维本体力学性能。当CH3COONH4与NH4H2PO4的物质的量之比为2∶1时,碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS与未处理纤维相比提高了168%,而碳纤维拉伸强度却下降很小,此复合电解质溶液是一种较为理想的对高强高模碳纤维进行表面改性的电解质体系。

国产聚丙烯腈基高强高模碳纤维电化学氧化表面处理工艺

以国产聚丙烯腈(PAN)基M55J级碳纤维(CF)为研究对象,首先在不同电解液体系中进行循环伏安多重扫描,比较其氧化能力的差异,进行电解液的筛选。然后用最佳电解液对CF进行恒流连续氧化处理,通过Raman光谱、XPS和SEM的表征,研究了电化学氧化对高强高模CF表面结构及化学组成的影响,并通过测试CF束丝拉伸性能及其与树脂结合后的层间剪切强度对CF的力学性能进行了表征。研究结果表明,NH4HSO4电解质溶液对CF进行表面处理时,其刻蚀能力最强,可以有效改善其表面活性,增大其表面粗糙度和含氧官能团数量。采用0.6mol/L的NH4HSO4电解液体系,在1mA·cm^(-2)电流密度下对CF进行阳极氧化,CF与树脂间的层间剪切强度比未处理提高了164%,同时CF的拉伸强度略有提高,模量无明显变化。

高强高模超薄单向预浸料与低克重平纹织物的制备工艺及性能研究

通过"超声波法"将T700、T800和M40碳纤维分别展宽,采用后浸渍法中的胶膜法制备高性能超薄单向预浸料。预浸料的单位面积纤维质量为(30±2)g/m^(2),单层厚度为(0.030±0.010)mm。通过模压工艺制备层合板进行力学性能测试,结果表明纤维强度和模量的提高对于层合板强度和模量的提高有重大影响。同时将T700、T800的单根丝束展宽,制备80 g/m^(2)低克重展宽丝束平纹织物,通过拉伸断裂强力对比结果表明,展宽丝束平纹织物的拉伸断裂强力与纤维抗拉强度成正比。

MJ系列碳纤维微观结构的剖析

利用SEM、XRD和Raman光谱研究了高强高模PAN基碳纤维M40J、M55J、M60J的表面形貌和微观结构参数。结果表明:3种纤维的表面均存在沟槽,说明其原丝可能均为湿法纺丝。但沟槽的深度与均匀性又有所不同。XRD结果显示:M40J的石墨化程度最低,M55J次之,M60J最高。Raman光谱数据显示,M40J的RS、RC、RSC值均相对较大,M55J次之,M60J最小。说明M60J的表面和内部的石墨化程度均较高,但皮芯结构也最严重,这可能是导致其抗拉强度较低的原因之一。