高性能聚丙烯腈基碳纤维微观结构和形态结构研究

摘要

本文主要利用广角X射线衍射研究了高强度（T系列）与高模量（M系列）聚丙烯腈基碳纤维的微观结构，并用小角X射线散射研究了聚丙烯腈基碳纤维内存在的微孔结构。通过对高性能碳纤维的微观结构进行系统的研究，获得了不同类型的聚丙烯腈基碳纤维在结晶状态、取向度、缺陷和微孔结构等方面的相关数据。通过综合分析其微观结构和形态结构对力学性能的影响，由此获得了聚丙烯腈基碳纤维制备过程中微观结构的演变特征，分析了缺陷和微孔产生的机理，为高性能碳纤维的生产所需要的最佳工艺条件提供科学依据。本文的具体研究工作及取得的研究结果主要分为以下两个方面：
　　 1、广角X射线衍射结果表明聚丙烯腈基碳纤维并不是聚合物常见的“两相结构”（结晶相和非晶相），它既没有严格意义上的结晶部分，也没有一般概念的无定形（非晶）部分，是二维有序的片层堆砌结构，如石墨晶体的层叠结构。两类碳纤维具有不同的特征：(1)T300、T700、T800、T1000、M35JB、M40JB、M55JB、M60JB的晶面间距d（002)逐渐减小，依次接近石墨晶体的(002)晶面的晶面间距，表明T300、T700、T800、T1000与M35JB、M40JB、M55JB、M60JB的热处理温度分别依次增高；(2)高模量碳纤维的晶胞尺寸较接近于石墨结构；(3)高模量碳纤维的晶粒尺寸和取向度大于高强度碳纤维；(4)高模量碳纤维的二维层状堆砌比高强度碳纤维排列规整，并存在两种不同晶胞尺寸的六方晶系石墨结构。取向度增大，使晶粒尺寸增大，层状堆砌趋于规整，有利于提高拉伸模量。存在适度的层状紊乱堆砌和不完善微晶以及缺陷，有利于提高拉伸强度。
　　 2、小角X射线散射结果表明高强度碳纤维和高模量碳纤维的具有不同的微孔结构特征：(1)高强度碳纤维的拉伸强度变化与平均旋转半径Rg呈正向关系，而高模量碳纤维的拉伸模量的变化与平均旋转半径Rg呈反向关系；(2)高强度和高模量碳纤维中的微孔短轴长度均小于长轴长度，表明微孔呈旋转椭球体形状分散在乱层石墨微晶之间；(3)高强度碳纤维的微孔尺寸均大于高模量碳纤维的微孔尺寸，但是高强度碳纤维的微孔轴比却小于高模量碳纤维的微孔轴比，表明高模量碳纤维内部存在更为狭长的微孔结构，并且这些微孔主要分布在二维平面方向；(4)高强度和高模量碳纤维中的微孔尺寸均随拉伸强度和拉伸模量的增强而增大；(5)高强度碳纤维随拉伸强度增强，分形维数D随之减小，高模量碳纤维随拉伸模量增大，分形维数D随之增大。
　　 上述结果表明：在高强度PAN基碳纤维制备过程中，适度的微孔尺寸、层状紊乱堆砌、不完善微晶等缺陷，以及相对较少的微孔数量和较小的微孔界面的分形维数，有利于提高碳纤维的拉伸强度；在高模量碳纤维制备过程中，控制拉伸率和热处理温度以获得相对较大的取向度和晶粒尺寸，以及减小微孔尺寸和微孔数量，有利于提高碳纤维的拉伸模量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 碳纤维的发展历史、现状以及存在的问题

1.3 碳纤维的制备工艺流程、结构理论

1.3.1 碳纤维的制备工艺流程

1.3.2 碳纤维的微观结构

1.3.3 碳纤维主要的结构模型

1.4 本论文的主要研究内容及其意义

1.4.2 本论文的主要研究内容

1.4.2 本论文的研究意义

第二章 广角X射线衍射研究高性能碳纤维的微观结构

2.1 引言

2.2 X射线衍射的理论背景

2.2.1 基本原理

2.2.2 晶粒尺寸

2.2.3 取向度

2.2.4 衍射角的校正和晶胞参数的计算

2.3 实验方法

2.3.1 实验样品

2.3.2 测试方法

2.4 结果与分析

2.4.1 谱图分析

2.4.2 微晶取向分析

2.4.3 微观结构与性能的关系

2.5 小结

第三章 小角X射线散射表征高性能碳纤维的微孔结构

3.1 引言

3.2 小角X射线散射理论

3.2.1 基本原理

3.2.2 Guinier定理

3.2.3 Porod定理

3.3 实验方法

3.3.1 实验样品

3.3.2 实验装置

3.3.3 数据处理

3.4 结果与分析

3.4.1 PAN基碳纤维粉末样品的2D-SAXS数据分析

3.4.2 PAN基碳纤维丝束样品的2D-SAXS数据分析

3.5 小结

第四章 结论

参考文献

研究生阶段发表的论文

致谢