PAN基碳纤维原丝生产水浴牵伸过程分析及优化

摘要

碳纤维是含碳量大于百分之九十，且因其高强度和高模量而日益被广泛应用的纤维状复合材料。聚丙烯腈基碳纤维是目前生产工艺简单且性能最好的碳纤维。高质量聚丙烯腈原丝是生产高性碳碳纤维的前提。初生纤维结构疏松，强度低，不能直接应用。而通过牵伸工艺过程，能够改善初生纤维的结构，提高其性能，使其成为高质量的原丝。水浴牵伸是牵伸工艺的重要环节，因此，对水浴牵伸过程的研究对原丝质量的影响就具有十分重要的意义。
　　本文主要进行了以下研究:
　　(1)探究了在PAN初生纤维成型过程中，牵伸条件（牵伸倍数、温度等）对取向度的影响及其程度，发现水浴牵伸倍数对取向度的影响程度较高。
　　(2)在原丝牵伸过程中，保证其他工艺条件固定不变，通过观察在不同的牵伸倍数下的原丝结构与性能，探究了牵伸倍数对原丝取向度的影响，发现在牵伸过程中，总牵伸倍数在6-8倍，水浴牵伸在1.8倍最佳。
　　(3)通过改变牵伸条件，观察水浴牵伸过程中应力-应变曲线的变化，进一步了解了水浴牵伸过程中纤维的力学性能及结构变化。
　　(4)研究了形变行为力学的关系，推导出了单纤维拉伸过程的模型及牵伸速率与张力数学模型。通过MATLAB建立Simulink模型对数学模型进行仿真，验证了模型的准确性。
　　(5)通过对Simulink模型进行调整，增加一些辅助模块，建立了断裂应力与最大牵伸倍数之间的模型，通过此模型能够得到在最佳拉伸条件下，保证纤维未发生断裂前的最佳的牵伸倍数。
　　通过实验分析以及模拟仿真，对工业上碳纤维原丝生产所做的探索性研究，可以为PAN基碳纤维生产提供理论及模拟的参考依据。

目录

摘要

1 绪论

1．1 碳纤维概述

1．2 碳纤维的发展历史

1．3 PAN原丝的生产工艺

1．3．1 溶液聚合

1．3．2 湿法纺丝

1．3．3 干湿法纺丝

1．3．4 凝固成型后的后续生产工艺

1．4 原丝的结构与形态

1．4．1 聚丙烯腈的晶态结构

1．4．2 取向结构

1．4．3 表面缺陷

1．4．4 内部缺陷

1．5 论文选题的目的及意义

2 牵伸理论及实验方法

2．1 原丝的连续牵伸

2．1．1 纤维运动时的连续性方程

2．1．2 丝束的速度和速度梯度分布

2．1．3 分子取向和结晶取向的变化

2．1．4 结晶的变化

2．2 纤维受力分布

2．2．1 牵伸力与握持力

2．2．2 多级牵伸时的牵伸力

2．3 实验方法

2．3．1 原料

2．3．2 实验设备

2．4 测试和表征方法

2．4．1 体密度

2．4．2 沸水收缩率

2．4．3 结晶度

2．4．4 取向度

2．4．5 纤维直径

2．4．6 纤维的变形梯度

3 牵伸条件对原丝取向度的影响

3．1 实验

3．1．1 纺丝溶液及纺丝成形

3．1．2 测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 纤维成型工艺参数的确定

3．2．2 凝固浴条件及预牵伸、热水牵伸对取向度的影响

3．2．3 热牵伸对取向度的影响

3．3 小结

4 牵伸倍数对PAN原丝取向度的影响

4．1 实验

4．1．1 原料与条件

4．1．2 测试方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 不同牵伸倍数下的PAN纤维的二维衍射图像

4．2．2 不同牵伸倍数下的纤维的沸水收缩率

4．2．3 不同牵伸倍数下的PAN纤维的力学性能

4．2．4 牵伸倍数对水浴牵伸的影响

4．3 小结

5 水浴牵伸过程中应力-应变曲线的研究

5．1 应力-应变曲线的基本类型

5．2 实验

5．2．1 实验条件

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同温度下的应力-应变曲线

5．3．2 不同牵伸速率下的应力-应变曲线

5．4 小结

6 牵伸过程的模型研究及优化

6．1．形变行为的力学关系

6．2 牵伸过程模型

6．3 牵伸模型仿真

6．4 牵伸倍数的优化

6．3 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果

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