Γ辐照下预氧丝及碳纤维微观结构演化与力学性能的关系

摘要

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强高模型碳材料，具有耐高低温、耐腐蚀、尺寸稳定性好、高比强度和高比模量等优点，已广泛应用于航空、航天、汽车、电子、机械等领域。但是力学性能还有很大提升空间，γ射线辐照作为可持续应用于PAN基碳纤维制备和后处理全过程的改性技术，受到人们的广泛关注。然而，作为碳纤维微观结构中的重要部分，碳纤维微孔结构在γ射线辐照下的演化规律如何，至今仍没有相关研究。预氧丝是制备高性能碳纤维的重要阶段，至今对预氧丝的研究还很少，对辐照下预氧丝微观结构的演化研究也很少。本文对预氧丝进行γ辐照，采用XRD、SAXS、EDS等表征预氧丝在辐照下的微观结构演化，进一步采用XRD、Raman、SAXS、SEM对辐照后的碳纤维微观结构进行研究，结合力学性能分析，探讨碳纤维在γ射线辐照下微孔结构的演化与力学性能提升之间的关系。
　　为了初步探索γ辐照预氧丝微观结构的演变，采用XRD，SAXS进行表征。结果表明，预氧丝(002)层间距在辐照后从3.4824nm减小到3.4513nm，回转半径从1～5nm增大到1～6nm(Air)和1～7nm(Ar)，微孔半径也从1～7nm(原样)增大到1～Snm(Air)和1～9nm(Ar)，尺寸较小的微孔体积分数变小，尺寸较大的微孔体积分数变大，证明γ辐照使得预氧丝的微孔增大。不同辐照介质下，预氧丝的横截面氧含量变化不一样，在氩气中辐照的预氧丝各处的氧含量都呈现下降趋势，在空气中辐照的预氧丝各处氧元素含量都呈现增加趋势，这表明γ射线辐照促进了预氧丝的预氧化进程。
　　T700辐照后002层间距和ID/IG都比辐照前更小，未辐照碳纤维微孔长度大约为3～9nm，但是氩气中辐照碳纤维的微孔长度减小到1～5nm，环氧氯丙烷中为1～7nm。而在平均微孔半径方面，辐照后碳纤维的微孔半径和原样的4.8406nm相比，辐照后碳纤维的微孔半径分别是3.6868nm和3.4223nm。而在氩气(Ar)中辐照碳纤维的平均微孔半径比环氧氯丙烷(ECP)中辐照的小，这就表明活性介质会增大碳纤维表面的微孔。但是在ECP中辐照的碳纤维d002和ID/IG与Ar中辐照区别不大，表明辐照介质对碳纤维微晶结构和石墨化程度影响很小。结合碳纤维的力学性能变化进行对比，可以发现:介质对碳纤维的结晶结构和石墨化程度影响很小，相反，对微孔结构影响很大，这与碳纤维力学性能变化趋势一致。因此得出结论:γ辐照下碳纤维力学性能随着微孔尺寸的减小而增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 PAN基碳纤维制备过程及改性方法

1．2．1 PAN基碳纤维制备过程

1．2．2 碳纤维改性方法

1．3 预氧丝和碳纤维微观结构概况

1．3．1 预氧丝纤维结构

1．3．2 碳纤维结构

1．4 辐照技术及应用

1．4．1 γ辐照原理

1．4．2 辐照技术的应用及优越性

1．5 γ辐照碳纤维三个阶段研究现状及本论文研究内容

1．5．1 γ辐照PAN原丝研究现状

1．5．2 γ辐照预氧丝研究现状

1．5．3 γ辐照碳纤维研究现状

1．6 课题研究内容

2．1 实验原材料及设备

2．1．1 实验原材料

2．1．2 实验设备

2．2 前处理和辐照处理

2．2．1 辐照源

2．2．2 聚丙烯腈纤维预氧化

2．2．3 碳纤维前处理

2．2．4 辐照处理

2．3 测试表征

第三章 预氧丝辐照前后微观结构的演化

3．1 引言

3．2 实验

3．3 合适预氧化方案的确定

3．4 γ射线辐照下预氧丝微孔结构的变化

3．5 γ射线辐照下预氧丝微区结构的表征

3．6 本章小结

第四章 γ辐照下碳纤维微观结构与力学性能的构效关系

4．1 引言

4．2 实验

4．3 γ辐照对T700微观结构的影响

4．3．1 T700碳纤维的XRD表征

4．3．2 T700碳纤维的拉曼表征

4．3．3 T70碳纤维辐照下微孔结构演化机理探究

4．4 γ辐照下碳纤维微观结构与力学性能的构效关系

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢