PAN基碳化纤维的电性能及应用

采用连续预氧化碳化法,在700～1300℃制备了聚丙烯腈(PAN)基碳化纤维。使用元素分析仪、X射线衍射仪和高精度电阻仪检测了碳化纤维的化学成分、物相结构和体电阻率;使用绝缘电阻仪测试了碳化纤维/树脂复合涂层的表面电阻率。研究结果表明,随着碳化温度的升高,纤维的碳元素含量增大,同时纤维中形成大量类石墨结构,增强了纤维的导电性,碳化纤维的电阻率由1.12Ω.cm急剧下降至1.95×10-3Ω.cm;在树脂中添加短切碳化纤维制备的防静电复合涂层的表面电阻率可在104～107Ω之间调整。     

不同表面除胶工艺对碳纤维本体结构和表面结构的影响

采用丙酮浸泡、瞬时高温处理及氮气保护下高温处理3种工艺对碳纤维表面进行除胶处理,利用场发射扫描(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼光谱(LRS)等分析测试手段对不同除胶工艺处理的碳纤维性能进行了对比分析。结果表明,3种除胶工艺都不会破坏碳纤维的本体结构,但对碳纤维表面上浆剂的去除具有不同的效果。丙酮浸泡工艺效果不明显,瞬时高温处理在除胶的同时会破坏碳纤维的表面结构。氮气保护下高温处理工艺的设计避免了上浆剂高温裂解产物的残留,防止了碳纤维高温条件下表面性能的破坏,除胶效果最好。     

500-1350℃碳化纤维的结构缺陷和力学性能

采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及力学性能测试等方法对500-1350℃碳化纤维进行表征,研究了碳化温度对纤维结构缺陷和力学性能的影响。结果表明:在500-900℃低温阶段其强度和模量都随着碳化温度的升高呈增加趋势,但二者的增长速率在700℃前后是不同的。应力-应变曲线表明,低于700℃出现应力急剧下降的"之"字形拐点,没有明显屈服;700℃之后先出现屈服,后产生拐点。在1350℃高温阶段,纤维的断裂呈现出典型的脆性材料特征。在500-1350℃,碳化纤维的断裂主要取决于其表面缺陷。700℃和1350℃两种纤维表面都存在沿纤维轴方向的细长裂纹,700℃碳化纤维中的细长裂纹直径约为2 nm,长度从几十纳米到几百纳米,1350℃碳化纤维中的细长裂纹直径约为1 nm,长度在50-190 nm。这些细小的裂纹,可能是导致纤维断裂的主要原因。     

XRD研究沸水热处理对PAN原丝结构与性能的影响

采用X射线衍射分析(XRD)研究了沸水热处理前后3种不同PAN原丝的凝聚态结构,并比较了它们体密度、强度、断裂伸长率等性能的变化.发现经过沸水热处理后,3种原丝的非晶散射峰所占比例均增加,结晶度降低.由于沸水热处理所采用的温度(100℃)略高于PAN原丝的玻璃化转变温度(95.78℃),在此温度下只有非晶区的分子链段可以运动,所以X射线衍射曲线的变化是由非晶区取向结构的变化引起的.该结果表明,原丝内部由微晶区、取向非晶区和无规非晶区组成;除了晶区结构外,非晶区中的有序结构对X射线衍射峰同样有一定贡献.经过沸水热处理后,由于微晶边缘有序程度下降,导致微晶的平均尺寸也略有减小.沸水热处理使PAN原丝中伸直的分子链段变为蜷曲构象,增加了链段所占据的自由体积,因此处理后原丝的体密度减小;热处理后原丝非晶区有序程度降低,导致其取向度降低,强度降低,断裂伸长率增加.