聚丙烯腈摻雜中間相瀝青基炭纖維的制備及其性能的研究.pdf

1、中間相瀝青基炭纖維因其具有高模量、高導熱的優(yōu)點，在航空航天領域具有特殊用途。其完善的類石墨結(jié)構和高度軸向取向得益于中間相瀝青分子的剛性二維平面結(jié)構。然而在紡絲時平面的瀝青分子不僅會沿著纖維軸向取向，也會沿著徑向取向，而在徑向方向的取向結(jié)構導致類石墨層間作用力弱，從而降低了炭纖維的拉伸強度。因而在保證其軸向取向的同時，如何降低其徑向取向成為提高瀝青基炭纖維拉伸強度的關鍵。
　　本文選用聚丙烯腈（PAN）做為摻雜料，加熱環(huán)化后形成一維

2、剛性高分子，在紡絲過程中起到改變中間相瀝青分子徑向取向的作用并在炭化時能形成類石墨結(jié)構碳。以可紡性較好的萘系中間相瀝青為原料，用固液法與PAN均勻混合。通過傅里葉紅外光譜分析儀、索氏萃取、偏光顯微鏡以及旋轉(zhuǎn)流變儀等測試分析了PAN摻雜對中間相瀝青原料可紡性的影響，初步確定了可紡溫度以及可紡摻雜量。在實驗室自制氣壓式單孔紡絲機上進行紡絲。所紡制的瀝青纖維在熱風烘箱中氧化不熔化并在箱式炭化爐中氮氣保護下炭化得到炭纖維。采用熱重分析（TG）、

3、X射線衍射分析（XRD）、拉曼光譜（Raman）、場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）等檢測了氧化、炭化后過程中纖維的重量變化、微晶結(jié)構、顯微結(jié)構，并分析了炭纖維結(jié)構與力學性能的關系。研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）研究了PAN摻雜的均勻性以及對可紡性的影響。研究發(fā)現(xiàn)通過固液混合可以將PAN均勻分散在瀝青中，且添加量適當時不影響其可紡性。當PAN摻雜量在0.3 wt.％以下時，收絲較好，可以獲得與未摻雜料直徑相同的瀝青原絲；當摻雜量在0

4、.3 wt.%以上時，環(huán)化的PAN分子彈性明顯，限制了瀝青分子的運動，導致不穩(wěn)定流動，從而影響了瀝青料的可紡性。
　?。?）研究了PAN摻雜對炭纖維結(jié)構的影響。研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈與中間相瀝青有強烈的共炭化效應。摻雜量在0.3 wt.%以內(nèi)的預氧絲在450℃之前炭化時，隨著PAN濃度的增加，失重速率變快，但450℃之后失重速率較空白樣品低，且最終碳收率隨添加量有微弱的增加；摻雜0.3 wt.% PAN的炭纖維相對于未摻雜的微晶尺寸（L