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碳纤维——新材料之王

2022-11-22 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

碳纤维——新材料之王

引言

     由于碳纤维具有高强度,高模量,低密度,耐腐蚀,耐高温等优异性能,被誉为新材料之王。而这些物理性质,离不开其结构特征。本文将从聚丙烯腈碳纤维的微观结构,制备工艺,改性等角度来分析其具有优异力学性能的原因。

 

碳纤维的结构

      碳纤维与普通石墨纤维的片状结构不同,是乱层结构。通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成,其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。当孔隙率低于某个临界值时,孔隙率对碳纤维复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显的影响。有些研究指出,引起材料力学性能下降的临界孔隙率是1%-4%。孔隙体积含量在0-4%范围内时,孔隙体积含量每增加1%,层间剪切强度大约降低7%。通过对碳纤维环氧树脂和碳纤维双马来亚胺树脂层压板的研究看出,当孔隙率超过0.9%时,层间剪切强度开始下降。由试验得知,孔隙主要分布在纤维束之间和层间界面处。并且孔隙含量越高,孔隙的尺寸越大,并显著降低了层合板中层间界面的面积。

     因此我们可以得出理想碳纤维的结构:1.高取向2.多乱层 3.低缺陷。

 image.png

的石墨纤维和碳纤维的不同结构


碳纤维的制备工艺

      聚丙烯腈碳纤维的生产过程分别有3个步骤:第一,通过聚丙腈单体相互聚合得到原液,第二步,再由原液进行PAN原丝的制作。最后一步,对PAN原丝进行氧化以及碳化。

       image.png

测量纺丝过程中纤维的100面方位角的XRD,发现取向角呈不断减小的趋势,说明微晶的取向性越来越高。PAN纺丝过程中取向性逐步增大的趋势主要原因有:1)在纺丝压力的驱动下,纺丝液经过喷丝孔过程中,大分子链已经有一定的取向,经过凝固液后经相分离生成微原纤和原纤的凝胶网络结构;2)通过沸水牵伸,纤维逐步细化,微晶沿纤维轴取向性增强;3)干燥致密化后,纤维进入高压蒸汽牵伸装置,通过高温汽牵,使纤维显著细化,得到高取向度的PAN纤维。


碳纤维的改性

      若使用硼酸对碳纤维进行改性,则发现在1 600~2 400℃的热处理范围, 炭纤维中的硼含量会随着温度的升高而逐渐降低, 这导致在纤维表面出现了硼化物颗粒。由于硼化物颗粒占据了 PAN 纤维的孔隙,因此在稳定过程中阻碍了氧气的扩散,并在稳定过程中阻碍了氧化反应。但是, 由于初始炭纤维中的硼含量较低, 导致其在石墨化过程中并未影响炭纤维微晶尺寸的变化过程, 却明显提高了微晶的取向度, 使纤维的杨氏模量得到显著提升的同时, 拉伸强度的降幅也明显减小。在达到同等模量的情况下, 硼的引入能够使热处理温度降低200℃。

 

 

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