PAN纤维结构氮的裂解释放特征及其对纤维结构性能影响规律的研究

摘要

碳化过程是PAN基碳纤维最终结构与性能成型的重要阶段。在该过程中纤维内的非碳元素逐渐被脱除,碳元素含量逐渐增长。其中含量最多的非碳元素就是N元素,它的脱除必然对PAN纤维碳化进程起着至关重要的作用,因此研究高温环境下N的裂解释放特征对深入理解和推测碳纤维的成型机理具有重要的学术意义。
　　 N结合态的变化是N裂解释放过程中最重要的特征,而现阶段,前人对N结合态在碳化过程中的演变规律研究甚少且不详尽。本文通过使用x射线光电子能谱测试、元素分析测试、热重-质谱联用测试、拉曼光谱分析、X射线衍射光谱分析、体密度和机械性能测试等成分、结构、性能的表征手段研究了高温碳化过程中N结合态随温度、时间的演变规律,推测了该过程的相关反应机理,并建立起N结合态与纤维结构性能演变的相关性。研究结果表明:
　　 1.PAN纤维中N结合态的演变具有温度和时间的依赖性,随着温度的升高或时间的延长,纤维N结合态的相对含量和绝对含量都会发生改变,其中温度效应比时间效应作用更为明显,而时间效应在高温环境下作用更为明显。
　　 2.高温碳化过程中,N主要以吡啶氮、氨基／亚氨基和类石墨氮三种结合态存在,其中,N以类石墨氮形式存在更有利于碳化进程的发展。
　　 3.随着热处理温度的升高,纤维中的吡啶氮和氨基／亚氨基含量逐渐降低,类石墨氮含量先呈增加趋势,在1000℃以后,含量逐渐降低。700℃下,随着热处理时间的延长,三种氮结合态含量变化不大；而1100℃下,吡啶氮和类石墨氮含量下降明显,氨基／亚氨基含量变化不大。
　　 4.N结合态的演变引起了纤维结构的发展,进而导致了纤维性能的完善,即随着温度和时间的改变,纤维的石墨化程度、各微晶尺寸、体密度、强度和模量等参数都发生了变化。
　　 5.1000～1100℃间,类石墨氮的的分解导致该温度范围内纤维R值和体密度值的变化均存在一个转变点。

目录

文摘

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CONTENTS

第一章 文献综述

1.1 碳纤维(CF)简介

1.2 聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)的发展

1.3 聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)的制备

1.4 聚丙烯腈纤维(PANF)的碳化过程

1.4.1 碳化过程中纤维的元素含量变化

1.4.2 碳化过程中纤维的逸出成分变化

1.4.3 碳化过程中纤维的失重和热变化

1.4.4 碳化过程中纤维的分子结构变化

1.4.5 碳化过程中纤维的微晶结构变化

1.4.6 碳化过程中纤维的性能变化

1.5 碳纤维(CF)研究过程的表征方法

1.5.1 元素分析(EA)

1.5.2 热重-质谱联用(TG-MS)

1.5.3 X射线光电子能谱(XPS)

1.5.4 拉曼光谱(RAMAN)

1.5.5 X射线衍射分析(XRD)

1.6 本论文研究的目的意义和内容

第二章 实验部分

2.1 样品来源

2.2 实验方案

2.2.1 实验样品制备

2.2.2 结果分析思路

2.3 相关测试表征手段

2.3.1 元素含量分析

2.3.2 热重-质谱联用测试

2.3.3 X射线光电子能谱分析

2.3.4 拉曼光谱分析

2.3.5 X射线衍射分析

2.3.6 体密度测试

2.3.7 力学性能测试

第三章 结果与讨论

3.1 PAN纤维结构氮的裂解释放特征

3.1.1 N元素含量的变化

3.1.2 含N小分子气体逸出的变化

3.1.3 小结

3.2 PAN纤维氮结合态演变规律的温度效应

3.2.1 N结合态的存在特征

3.2.2 N结合态的演变规律

3.2.3 N结合态的演变对纤维结构的影响

3.2.4 N结合态的演变对纤维性能的影响

3.2.5 小结

3.3 PAN纤维氮结合态演变规律的时间效应

3.3.1 700℃下N结合态演变规律的时问效应

3.3.2 700℃下N结合态的演变对纤维结构性能的影响

3.3.3 1100℃下N结合态演变规律的时间效应

3.3.4 1100℃下N结合态的演变对纤维结构性能的影响

3.3.5 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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