聚丙烯腈(PAN)基碳纤维碳化过程微观结构与导电性能研究

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作者：

于继胤

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摘要：

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的制备主要包括预氧化和碳化,碳化过程分为低温碳化和高温碳化,通常在400-1600℃的惰性气氛中进行,在高温碳化过程中,纤维的物理性能和化学结构发生了很大的变化,例如碳纤维的拉伸模量,导热率和导电率等.碳纤维的宏观性能不同也表明其内部微观结构的变化,深入研究PAN基碳纤维生产过程中以及之后成品碳纤维的微观结构和性能关系对于提高碳纤维的质量至关重要.因此本文通过扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman),元素测试和电阻率测试研究了碳化过程中纤维的组织结构演变规律和不同模量碳纤维的微观结构和电阻率的演变规律.两部分工作都是针对微观结构和电性能进行研究,第一部分是不同碳化温度,第二部分是不同模量.(1)研究了高温碳化期间PAN基碳纤维微观结构和性能的关系.结果表明,随着热处理温度升高,纤维碳含量快速增加,同时碳纤维的电阻率随着石墨层间距d_(002)的减小而减小,从3.19×10~(-5)?·m迅速下降到2.12×10~(-5)?·m;在碳化期间,碳纤维的拉伸强度先增大后减小,这是由于先形成的是不规则乱层石墨结构,随着温度升高,石墨层间距减小并且晶粒厚度逐渐增加,拉伸模量也逐渐增大.Raman结果显示D-Line强度减弱,G-Line强度增强,I_D/I_G的比值从3.39减小到1.99,化学反应使sp~3杂化碳转化为sp~2杂化碳原子且微晶尺寸变小.(2)选择了一系列的不同拉伸模量的碳纤维,拉伸模量从230 GPa至270 GPa,通过实验可以得到,碳纤维的电阻率从230 GPa的2.76×10~(-5)?·m逐渐下降到270 GPa的2.2×10~(-5)?·m,通过XRD结构参数可知,石墨结构的层间距从0.35下降到了0.346,石墨微晶的堆叠厚度从1.54下降到了1.51.表明碳纤维电阻率也随着微晶结构变得紧密而减小,这表明石墨微晶从涡轮状碳结构,逐渐变得有序,石墨平面将会收缩.碳纤维的力学性能与其石墨化程度微观参数相关.石墨化程度与纤维的微晶结构密切相关,其对拉伸模量的影响与微晶结构的影响相似.随着石墨化程度的增加,拉伸模量以近似线性的方式减小,石墨化程度的增强有利于获得高模量.碳纤维的电阻率也是和模量是相关的,石墨化程度逐渐有序,sp~2碳结构逐渐形成同时伴随着石墨碳层结构的逐渐完善,电子移动的范围变大,到导电性变好,电阻率逐渐下降.晶体结构对拉伸强度和断裂伸长率的影响相似,上述数据均表明碳纤维的拉伸模量与其晶体结构的完善程度直接相关.要得到高性能碳纤维,途径之一是改善其晶体结构参数,完善其无序石墨结构的有序堆积.

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