石墨化温度对PAN基高模量碳纤维微观结构的影响

以日本东丽公司T800碳纤维为原料,经不同温度的连续石墨化处理得到性能不同的高模量碳纤维。利用X射线衍射(XRD)和激光拉曼光谱(Raman光谱)研究了5种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#,4#,5#)的微观结构。结果表明:随着石墨化温度的升高,石墨微晶尺寸Lc、La10、La110及取向度均逐渐增大,而d002和取向角则逐渐减小。石墨化温度越高,碳纤维的石墨化程度越高,结晶度越大。

PAN基高模量碳纤维微观结构研究

采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和拉曼光谱(Raman光谱)研究了3种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#)的微观结构,并与M40J,M46J,M55J碳纤维进行了对比。结果表明:3种自制PAN基高模量碳纤维微晶尺寸的大小顺序为3#>2#>1#;1#到3#碳纤维表面和截面Raman光谱所获得的R值(D峰和G峰的积分强度比)均减小,石墨化程度升高,结晶性变好;1#碳纤维的结晶性介于M40J碳纤维和M46J碳纤维之间,2#和3#介于M46J碳纤维和M55J碳纤维之间;三者的石墨化程度略高于M46J碳纤维。

高温处理对螺旋炭纤维微观拓扑结构的影响

对高温处理前后螺旋炭纤维的微观拓扑结构进行了探究与表征,结果表明,制备态螺旋炭纤维具有类似年轮状结构的近圆形横截面,在纵截面上体现为近似鲱鱼骨结构,其石墨微晶尺寸小、取向度差;高温处理后,其三维结构可理想地看作是由石墨微晶以具有锥角的多面柱体形式沿螺旋方向堆叠而成,表观上炭纤维显示为尺寸均匀的多面柱体形貌。X射线衍射和Raman散射结果从宏观量级上证明了样品微观尺度有序度得到提高。为基于结构的性能预测和应用设计提供了可靠的参考。

高频感应加热制备PAN基高模量炭纤维的研究

采用高频感应快速加热连续石墨化装置，制备ＰＡＮ基高模量炭纤维（ＨＭＣＦ）。结果表明，此法可以制备高模量炭纤维。当原料纤维抗拉强度在３．５ＧＰａ，模量在２３０ＧＰａ以下时，采用石墨化温度为２６００℃，可以得到与由传统石墨化炉相类似的结果。并对炭纤维的力学性能和结构参数进行了研究。

高频加热装置连续化制备石墨纤维的研究

采用高频感应快速加热法 ,配以专门设计的石英管反应器 ,制成了连续生产石墨纤维的全套装置 ,能满足生产石墨纤维的各种工艺参数 ,例如温度 2 80 0℃以上 ,升温时间 2s ,走丝速度 4 0 0m h ,停留时间 10s。此法可生产出优质的石墨纤维 ,其力学性能达到了日本东丽公司M4 0产品的水平。它与传统的石墨化电炉相比 ,有投资少、能耗低、升温快、温度均匀、成本低的优点 。

石墨化度及纤维含量对C/C复合材料性能的影响

以短切高模炭纤维为增强体.制备C/C复合材料,并采用XRD、SEM等方法研究了纤维体积含量和石墨化度对复合材料性能的影响.结果表明:当短切高模炭纤维体积含量小于7%时,随着炭纤维体积含量增加,C/C复合材料的力学性能逐渐升高,高于7%时力学性能降低;随着石墨化度提高,C/C复合材料的力学性能显著降低,短切高模炭纤维增强作用下降;C/C复合材料的石墨化度对电阻率影响大,纤维体积含量对电阻率几乎没有影响;C/C复合材料的石墨化度对材料的抗氧化性影响显著.

不同直径国产高强中模型碳纤维结构及其轴向压缩强度关系的研究

通过测量与比对东丽T300、T800H碳纤维的压拉比,验证了拉伸回弹法测量高强中模型碳纤维本征压缩强度的可行性。采用该方法测试了五种不同直径国产T800级高强中模型碳纤维的单丝压缩强度,并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)分别表征其石墨微晶结构及断裂形态。探讨了碳纤维结构与力学强度的关联性。结果表明,当直径的变化有利于提升石墨微晶的基面宽度和取向度时,国家高强中模型碳纤维的轴向抗压性能得到强化,单丝压缩强度可达2. 8 GPa,压拉比为0. 52,显著高于东丽T800H的0. 42。碳纤维/环氧复合材料轴向压缩强度可达1 715 MPa,进一步验证了单丝压缩强度的研究结果。

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。

PAN基高模量碳纤维成型过程中的结构性能关联性

以实验室自制T800级聚丙烯腈(PAN)基高强中模碳纤维为原料,经连续石墨化处理得到M50J级、M55J级高模量碳纤维,以X射线衍射(XRD)、Raman光谱为表征手段研究了高强碳纤维向高模量碳纤维转变过程中石墨微晶、取向、微孔含量、石墨化度等石墨特征结构的演变规律,并开展了PAN基碳纤维石墨特征结构与力学性能的关联性研究。研究结果表明:在高强碳纤维向高模量碳纤维转变过程中,随着石墨微晶层间距d_(002)的下降以及石墨微晶堆砌厚度Lc的增加,碳纤维的拉伸模量逐渐提升;石墨微晶层间距和微晶取向是影响碳纤维拉伸强度的两个主要因素,石墨微晶层间距d_(002)值增加、石墨微晶取向越高,纤维拉伸强度也越高;在高模量碳纤维的成型过程中,纤维内部微孔含量随着石墨化程度的提高而降低;经过高温石墨化处理后,碳纤维的拉伸强度会随着Raman光谱中无序结构D峰和石墨特征结构G峰积分强度比值I_D/I_G的下降而下降。

QM4055级碳纤维结构与性能分析

采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力扫描探针显微镜(AFM)、表面动态接触角测量仪表征了国产QM4055级碳纤维和进口高强高模型M55J级碳纤维的微晶结构和表面特性,并对两种纤维与环氧树脂的微观界面及复合材料力学性能进行了研究。结果发现:与高强高模型M55J级碳纤维相比,QM4055级碳纤维的石墨片层的层间距d002为0. 342 4 nm,微晶的堆叠厚度为5. 14 nm,石墨化程度R为0. 43,石墨晶体结构更完善,石墨化程度略高;QM4055级碳纤维的表面粗糙度值Ra为89 nm,略低且均一性略好,截面形状圆形度略高;QM4055级碳纤维表面主要含C、O、N三种元素,且表面O/C比和N/C比分别为0. 078和0. 01,表面自由能为43. 27 mN/m,极性分量为19. 56 mN/m,界面剪切强度(IFSS)分别是50. 2 MPa,表面活性略高。与M55J级碳纤维/AC531树脂复合材料相比,QM4055级碳纤维/AC531树脂复合材料的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度分别提高了31%、34%、16%和19%,分别达到2 526 MPa、1 054 MPa、1 507 MPa和85. 0 MPa。