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作者：

张鑫

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摘要：

碳纤维具有许多优良的性能,高强高模,低密度等,广泛应用于各种不同领域,按生产原料不同一般分为聚丙烯腈基,粘胶基,沥青基碳纤维,并大规模投入生产.各种碳纤维由于在强度模量以及其他性能的差异广泛应用于不同领域. 其中粘胶基碳纤维原料来源广泛,热稳定性好导热系数低,在隔热,耐烧蚀等等方面有不可替代的作用,但一般性能的粘胶碳纤维其强度和模量普遍低于PAN基和沥青基碳纤维,限制了其在其他方面的应用,另一方面国外已能制备出高性能粘胶碳纤维,国内比较落后.因此,研究制备高强高模粘胶基碳纤维是很有意义的. 高强度和高模量的碳纤... 展开 碳纤维具有许多优良的性能,高强高模,低密度等,广泛应用于各种不同领域,按生产原料不同一般分为聚丙烯腈基,粘胶基,沥青基碳纤维,并大规模投入生产.各种碳纤维由于在强度模量以及其他性能的差异广泛应用于不同领域. 其中粘胶基碳纤维原料来源广泛,热稳定性好导热系数低,在隔热,耐烧蚀等等方面有不可替代的作用,但一般性能的粘胶碳纤维其强度和模量普遍低于PAN基和沥青基碳纤维,限制了其在其他方面的应用,另一方面国外已能制备出高性能粘胶碳纤维,国内比较落后.因此,研究制备高强高模粘胶基碳纤维是很有意义的. 高强度和高模量的碳纤维一般具有独特的结构,通常有高的取向度,合适的微晶尺寸,高密度低孔隙率,较少的缺陷等特点.研究表明高温石墨化处理,能使纤维的石墨化程度提高,微晶尺寸增多增大,择优取向性更好,从而提高了杨氏模量.通常纤维结构与性能的关系取决于温度,牵伸应力和处理时间.因此,本文的工作目的是,探索牵伸石墨化对粘胶基碳纤维的微观结构与力学性能的影响,通过理论模型对热牵伸石墨化与力学性能的关系进行定量分析. 研究方法:通过控制石墨化温度,牵伸应力,处理时间等三个参数的大小,按照一定组合条件对粘胶基碳纤维进行石墨化处理.利用场发射扫描电镜(FESEM),广角X射线衍射(XRD)等仪器,对纤维的表面横断面形貌,微晶尺寸,体密度,力学性能等性能进行了表征,分别分析了热牵伸石墨化对粘胶基碳纤维结构与性能的影响. 研究结果表明,热牵伸石墨化处理后的粘胶基碳纤维的拉伸强度从1.016GPa增加到1.785GPa,提高了75.7%;杨氏模量从46GP增加到173GPa,提高了278%;随着纤维在石墨化炉中的处理时间增加,纤维的杨氏模量略微增加,而纤维的拉伸强度呈明显减小趋势,减小至0.89GPa.FESEM照片显示牵伸石墨化之后,纤维表面粗糙程度大量发展,产生明显的褶皱纹理,以及长的"沟槽"或"山脊"状;横断面形貌呈现颗粒状,牵伸石墨化后,颗粒状体积增大,相邻排列更加紧凑.XRD图谱分析发现,纤维的微晶尺寸随着石墨化温度的升高,明显增加,层面间距减小,密度增大,孔隙率略微减小,取向度大幅提高,由56.7%提高到86.9%;低石墨化温度下当牵伸应力增加,微晶尺寸,取向度略有提高,层间距减小不多,而在高温度下,随着牵伸应力的增加,微晶尺寸增加,取向度大幅增大,层间距减小.随着石墨化时间的延长,Lc,La均呈增大趋势,密度增大孔隙率显著减小,择优取向度提高最后趋于平缓.均匀应力模型和剪切断裂理论分析表明,热牵伸石墨化通过增大纤维取向度来提高了粘胶碳纤维的杨氏模量;纤维拉伸强度的提高受取向度增大,微晶层间剪切模量和临界剪切断裂应变的减小等因素影响,在很高温度高牵伸应力的条件下,纤维取向度的变化对粘胶基碳纤维力学性能的提高起主导作用. 收起

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关键词：

粘胶基碳纤维 热牵伸石墨化 微观结构 力学性能 理论模型

学位级别：

硕士

学位年度：

2013