BN催化石墨化对碳纤维结构及力学性能的影响

摘要

由于聚丙烯腈基碳纤维是难石墨化材料，为了制备杨氏模量高于400GPa的高模量碳纤维，一般要在3000℃高温下进行热处理。但在如此高的温度下，碳纤维的强度会大幅度下降。因此采用催化石墨化的方法，在较低的温度下获得较高的模量或者在获得相同模量的前提条件下降低石墨化温度，对于制备高模量的聚丙烯腈基碳纤维是十分有必要的。
　　硼是一种独特的石墨化催化剂，是唯一能够与碳形成固溶体的催化剂，它可以取代石墨晶格中的碳，促进石墨化。但是碳纤维与硼催化剂结合力较弱，导致硼催化剂在连续化走丝过程中容易脱落，使得硼催化剂的负载量难以控制。
　　因此，本文通过在氮化硼悬浮液中再加入少量PVA，增强氮化硼与碳纤维的结合力，研究氮化硼对于碳纤维的力学性能及结构的影响。
　　结果表明：氮化硼对于聚丙烯腈基碳纤维的石墨化有明显的催化效果，碳纤维的力学性能不仅受温度的影响，同时还受氮化硼的影响。在2200℃以下，BN改性碳纤维的拉伸强度高于未改性碳纤维的拉伸强度，而且BN负载量越高，强度越高，最高增加7.4％。但是在2200℃以上，BN改性碳纤维的强度低于未改性碳纤维的强度，BN负载量越高，强度越低。碳纤维模量均随着硼负载量的增加而增加，最高增高6.6%。通过XRD结果分析表明，BN催化改性的碳纤维的取向度高于未改性纤维的取向度。拉曼光谱表明，在相同温度下，BN催化改性的碳纤维表面的ID/IG与未改性的基本一致。扫描电镜表明，BN催化碳纤维后表面缺陷高于未改性的纤维。均匀应力模型分析表明，热处理温度不高于2200℃时，BN催化后碳纤维拉伸强度高于未改性的纤维，是因为其取向度较高。而当热处理温度超过2200℃时，BN和碳纤维发生激烈的反应产生的缺陷是造成拉伸强度下降的原因。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 PAN基碳纤维国内外发展现状

1.3 PAN基碳纤维制备过程

1.4 PAN基碳纤维的结构

1.4.1 PAN基碳纤维的微晶结构

1.4.2 PAN基碳纤维的孔隙结构

1.4.3 PAN基碳纤维的皮芯结构

1.5 碳纤维的力学性能与微观结构的关系

1.5.1碳纤维的杨氏模量及微观结构的关系

1.5.2碳纤维的拉伸强度与微观结构的关系

1.6 催化石墨化制备聚丙烯腈基高模量碳纤维

1.6.1硼系催化剂对聚丙烯腈基碳纤维石墨化的影响

1.6.2 硼催化机理

1.6.3渗硼的方法

1.7 选题目的和意义及研究内容

1.7.1 选题目的和意义

1.7.2 研究内容

第2章 BN悬浮液浸渍

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及仪器设备

2.2.2 实验过程

2.2.3 测试方法与表征手段

2.3 结果与讨论

2.3.1 BN的浸渍量

2.3.2 PVA的结构分析

2.3.3 BN对PVA分解的影响

2.3.4 浸渍后的碳纤维经过450℃处理后力学性能的变化

2.4 本章小结

第3章 BN催化石墨化对碳纤维力学性能及结构的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 碳纤维

3.2.3 实验设备

3.2.4 实验过程

3.2.5 测试方法与表征手段

3.3 结果与讨论

3.3.1 BN对碳纤维力学性能的影响

3.3.2 BN对碳纤维微晶结构的影响

3.3.3 BN对碳纤维中微晶间交联结构的影响

3.3.4 BN对碳纤维表面的影响

3.3.5 碳纤维中的B含量

3.3.6 讨论与分析

3.4 本章小结

第4章 结论

参考文献

攻读硕士期间论文发表情况

致谢