石墨纤维表面的微观结构及其对物理吸附性能的影响

采用多种分析测试手段对石墨纤维表面的微观结构进行表征,并分析其表面微观结构对物理吸附性能的影响。研究表明：石墨纤维呈圆柱形,表面较光滑,结构较均匀,缺陷较少,单丝直径约为14～20 μm,纯度约为97.69 at％;石墨纤维具有类石墨结构,石墨微晶的层间距、晶粒尺寸和石墨化度分别为0.3402 nm、14.5 nm、44.19 %,拉曼光谱R值为1.2;石墨纤维含有较丰富的微孔结构,总比表面积、微孔比表面积、总孔体积、微孔体积、平均孔径和微孔孔径分别为537.02 m2/g、535.02 m2/g、0.2430 cm3/g、0.2368 cm3/g、1.8100 nm、1.1702 nm,是一种有工业前景的吸附材料;石墨纤维的物理吸附性能与其表面处理、晶体结构、表面结构和孔隙结构等有关,主要由微孔决定,是可以被用作于储氢的碳材料。     

PAN基碳纤维微结构特征的研究

利用X射线衍射（XRD）,拉曼光谱（Raman）对几种高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的微观结构进行了研究,并初步讨论了微观结构对碳纤维机械性能的影响机理。研究结果表明：高强（T系列）碳纤维的微晶约由5～6层石墨平面组成,高强高模（MJ系列）碳纤维的微晶约由10～20层石墨平面组成;晶区取向度是影响碳纤维模量的主要因素,影响碳纤维强度的主要因素随石墨化程度的不同有所改变。     

预炭化过程中升温速率对碳纤维结构与性能的影响

借助13C核磁共振波谱（13C-NMR）,X射线衍射（XRD）,拉曼光谱（Raman）等表征手段,研究了预炭化过程中聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的热化学反应以及微观结构的变化,且重点研究了预炭化过程（400~800 ℃）升温速率对纤维热应力、结构、力学性能的影响。结果表明：随着预炭化升温速率的提高,纤维类石墨层间距 d₀₀₂ 呈现出先减小后增大,晶区堆叠厚度 L_c 呈现出先增大后减小的的趋势;与之相对应的纤维拉伸强度和拉伸模量则呈现出先增大后减小的变化;当升温速率达到132 ℃/min时, d₀₀₂ 和 L_c 分别出现最小值和最大值,此时所得碳纤维的力学性能最高。     

线性多烯类分子—角黄素的理论与实验光谱研究

本文应用显微共聚焦拉曼光谱和紫外-可见光谱研究线性多烯类分子角黄素的微观结构,并结合量子化学的密度泛函方法 B3LYP优化其几何构型和计算其光谱频率.实验与理论结果表明:角黄素分子是以碳碳单双键交替的共轭分子,紫外-可见吸收光谱带比一般π→π跃迁红移,具有很强的π电子离域能力,其拉曼光谱的碳碳单双键的和频和倍频的拉曼光谱强度可达到基频峰强的30%.     

聚对苯二甲酸乙二酯的拉曼光谱特性及微观形貌研究

为了研究聚对苯二甲酸乙二酯(PET)分子拉曼振动模式及PET纤维表面微观结构的特性,采用拉曼光谱法及原子力显微术(AFM)对PET纤维进行研究,并对PET纤维分别进行酸、碱、盐处理,获得酸、碱、盐处理前后纤维的拉曼光谱,分析与比较了处理前后拉曼光谱的特性。同时,采用原子力显微镜对处理前后纤维的表面形貌结构进行观察。结果表明,在200~1 750cm-1之间,NaOH处理的PET纤维的拉曼光谱强度高于未经处理的PET纤维,当拉曼频移大于1 750cm-1时,经NaOH处理的PET拉曼峰强度降低,且荧光背景减弱,经H2SO4处理的PET纤维强度显著低于未经处理的PET纤维,经CuSO4处理的PET纤维强度明显增高。原子力显微术测量结果表明,相对未经处理的PET纤维表面,经NaOH处理后的PET纤维表面更为粗糙,经H2SO4处理的PET表面粗糙度降低,经CuSO4处理的PET纤维表面粗糙度增加。PET纤维的拉曼光谱与原子力显微术结果相吻合,表明拉曼光谱与原子力显微术的结合有望成为高聚物物性的表征技术。     

芳纶非晶区取向研究

本文首次报道了芳香聚酰胺纤维(PPTA)非晶区取向度的定量研究结果。利用流变仪纺制了一系列芳纶的无规取向样品,并测试了结晶度与声速值,利用声速值与结晶度的线性关系,得到PPTA纤维的晶区和非晶区的特征模量分别为17.33GPa及2.483GPa。若取人们公认的PPTA纤维的密度(1.44g/cm~2)作为比较基准,则对应的无规取向声速值C_u为2.34km/s,从而可计算声速取向值。利用X光测得纤维的晶区取向度,结合声速法,可以计算芳纶的非晶区取向因子。对大量的芳纶纤维进行测试分析,发现芳纶具有很高的非晶区取向度,且几乎等于晶区取向,是柔性链纤维的两倍。与柔性链纤维不同的是非晶区取向不再是影响纤维强度的主要因素,但在一定程度上决定了纤维模量。影响芳纶纤维强度因素不仅有非晶区取向度,而且与纤维缺陷及分子量大小有关。随纤维模量的增加,芳纶应力-应变曲线上的弯头角消失。我们认为弯头角的消失与非晶区取向增大有关,与结晶度的关系较小。     

水热法制备碳纳米球修饰天然石墨材料CNS@NG

为改善石墨作为电极材料的性能,以葡萄糖和球形天然石墨为原料,采用水热法合成了碳纳米球修饰天然石墨材料CNS@NG。应用X射线衍射、扫描电子显微镜和拉曼光谱对样品的微观结构、形貌和组成进行表征。结果表明,由葡萄糖水热及碳化处理后形成的碳纳米球均匀地分布在球形天然石墨表面,所制备的合成材料样品较好地保持了天然石墨的晶体结构,表现出碳与石墨复合材料的拉曼特征,具有较好的稳定性。     

改进工艺制备氧化石墨的正交设计

以浓硫酸和磷酸混酸替代传统的易产生毒气的硝酸钠/氯酸钾,高锰酸钾为氧化剂,鳞片石墨为碳源,制备了氧化石墨;并采用正交试验法,研究了石墨用量、高锰酸钾用量、反应时间、反应温度4个因素对氧化石墨结构的影响,通过极差分析确定了改进工艺制备氧化石墨的最佳工艺参数。通过X射线衍射、拉曼光谱与紫外可见吸收光谱,对改进工艺在最佳制备条件下得到的氧化石墨结构进行了表征,并与Hummers方法进行了对比。研究结果表明:改进工艺比Hummers方法制备的氧化石墨晶格中具有更少的缺陷。     

西汉狮子山楚王陵出土玉器中的石墨包裹体

利用激光拉曼光谱技术,研究了徐州狮子山西汉楚王陵出土的部分玉衣片和玉棺片中的黑色点状固体包裹体。拉曼光谱谱图显示其主要的拉曼散射峰位于1360("D"峰)、1582("O"峰)、2440、2735、3250cm-1附近,与石墨拉曼散射峰的典型峰位一致,显示黑色包裹体为石墨。石墨拉曼光谱中的"D"峰和"O"峰的相关信息可敏感地反映其主岩的形成条件,因此对古玉器玉料中石墨包裹体拉曼光谱的深入研究可以对玉料的产地来源进行限定。     

电沉积Fe-P合金镀层催化碳纤维石墨化研究

研究了电沉积Fe-P合金镀层对碳纤维的催化石墨化效果以及镀层组成对催化石墨化温度的影响.采用X-射线衍射、拉曼光谱及扫描电子显微镜等方法表征了空白样碳纤维与含Fe-P合金镀层碳纤维经不同温度热处理后的结构变化.研究结果表明,Fe-P合金对碳纤维的石墨化具有显著的催化效果.含Fe-P合金催化剂(P质量分数为7%)的聚丙烯腈基碳纤维经1 000℃热处理后,其石墨化度可达到71%,而不含Fe-P合金的空白样碳纤维经2 800℃热处理后石墨化度仅为30.1%,Fe-P合金催化剂大幅度降低了碳纤维的石墨化温度.同时,碳纤维的石墨化度随着Fe-P合金催化剂中P质量分数的增加而增大;随着Fe-P合金电沉积时间的延长而增大,直到镀层厚度达到一定值.本文还就Fe-P合金对碳纤维的催化石墨化机理进行了讨论,结果表明Fe-P合金对碳纤维的催化石墨化遵循溶解-析出机理.     

Gradient distribution of radial structure of PAN-based carbonfi ber treated by high temperature

High-performance graphite fibers were prepared and analyzed. The gradient distribution of radial structure of PAN-based carbon fibers was characterized by two different Raman test methods(incident laser beam perpendicular to and parallel to the fiber axis) and studied by the distribution of graphitization degree. Meanwhile difference between the two Raman test methods was used to describe the orientation of the graphite crystallite along the fiber axis. The results showed that the radial structure of PAN-based carbon fiber presented different gradient distribution states at different heat treatment temperatures,and the graphitization degree in the skin region changed more rapidly compared with the core region since the skin region was more affected by temperature which resulted in the obvious difference between skin and core structures.The difference of graphitization degree(Δg) characterized by two different Raman test methods increased with heat treatment temperature,indicating that the high temperature treatment(HTT) promoted further stacking of graphite crystallite,and the orientation degree of the graphite crystallite along the fiber axis was continuously increased.     

各向同性煤沥青制备炭/石墨纤维的研究

以各向同性煤沥青为原料,采用熔融纺丝工艺制备了直径为55μm的沥青纤维,经预氧化、炭化和石墨化处理后得到炭纤维和石墨纤维,并采用偏光显微镜、XRD和SEM等对其形貌、结构和性能进行表征。结果表明,炭/石墨纤维具有与沥青原料相似的各向同性光学结构;随热处理温度升高,炭/石墨纤维截面逐渐变粗糙,且内部石墨微晶逐步发育并长大,3 000℃下石墨化纤维微晶增大较明显,其堆积高度和平面尺寸分别约为5nm和11nm;1 600℃炭化纤维的力学性能较好,其拉伸强度和杨氏模量分别达到0.57GPa和32.19GPa,进一步提高热处理温度,纤维拉伸强度逐步降低,但是其杨氏模量逐渐增加,3 000℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为0.26GPa和40.57GPa;炭/石墨纤维室温轴向电阻率随热处理温度的升高而降低,1 000℃炭化纤维室温轴向电阻率为47.78μΩ.m,3 000℃石墨化纤维室温轴向电阻率降至21.98μΩ.m。     

凝胶纺壳聚糖分散碳纳米管/聚丙烯腈纤维的研究

多壁碳纳米管(MWNTs)通过壳聚糖衍生物处理后与超高分子量聚丙烯腈进行复合,将得到的复合材料通过凝胶纺丝法制备出不同复合比例的MWNTs/聚丙烯腈纤维.将不同纺丝方法以及不同比例MWNTs对拉伸强度、模量、取向度、结晶结构的影响进行比较研究,同时通过电镜观察MWNTs的分散状况.结果表明:相比于湿法纺丝,通过凝胶纺丝法制备的复合纤维,MWNTs取向更好,分散更为均匀,纤维拉伸强度、模量都得到显著提高.对比未加MWNTs的对照样,在这个体系中加入质量分数为0.5%的MWNTs复合时,拉伸强度提高37%,弹性模量提高11.68%,并且声速取向度维持在相当高的水平(92.5%).     

石墨化过程中元素铁对PAN基碳纤维成分及结构的影响

运用EA、Raman和XRD等方法分别研究了PAN基碳纤维石墨化过程中非结构型成分铁对碳纤维中C、N、H等结构型成分、化学结构和聚集态结构的影响,探讨了碳纤维成分变化与结构演变的关联关系。研究表明,元素铁对碳纤维中N元素的逸出具有较强的催化作用,碳纤维中C元素含量由于N元素被催化脱除而提高的更快;元素铁催化脱氮减少了碳纤维结构重排中的能耗,从而有利于碳纤维中的乱层结构碳向石墨结构碳的转变;同时,元素铁促进石墨片层基面宽度（L_a）增长;由于N元素沿纤维径向地逸出,元素铁催化脱氮产生的气胀作用力阻碍石墨片层的堆叠,因此铁对石墨片层层间距（d₀₀₂）几无影响,层间距的发展主要体现温度效应。     

Application of Raman spectroscopy in carbon nanotube-based polymer composites

Raman spectroscopy has been widely used to identify the physical properties of carbon nanotubes (CNTs), and to assess their func-tionalization as well as orientation. Recently, Raman spectroscopy has become a powerful tool to characterize the interfacial properties between CNTs and polymer matrices. This review provides an overview of micro-Raman spectroscopy of CNTs and its application in studying CNT reinforced polymer composites. Based on the specific Raman band shifts relating to the mechanical deformation of CNTs, Raman scattering can be used to evaluate the interactions between the CNTs and the surrounding polymer in the composites, and to detect the phase transitions of the polymer, and investigate the local stress state as well as the Young’s modulus of the CNTs. Moreover, we also review the current progress of Raman spectroscopy in various CNT macroarchitectures (such as films, fibers as well as composite fibers). The microscale structural deformation of CNT macroarchitectures and strain transfer factors from macroscale architectures to microscale structures are inferred. Based on an in situ Raman-tensile test, we further predict the Young’s modulus of the CNT macroarchitectures and reveal the dominating factors affecting the mechanical performances of the CNT macroarchitectures     

不同石墨化程度碳纤维表面电化学氧化特征研究

对不同石墨化程度的碳纤维进行表面电化学氧化处理,利用XPS、Raman和XRD研究了其表面氧化的特征和规律性以及碳纤维表面结构变化对碳纤维电化学氧化行为的影响,利用层间剪切测试（ILSS）分析了不同石墨化程度碳纤维复合材料的界面性能。结果表明：碳纤维经电化学氧化后,表面O、C原子个数比有增大的趋势,随碳纤维石墨化程度的提高,其增大的幅度越来越小;相同电流密度下,随石墨化程度的提高,碳纤维表面对电化学氧化的反应性减弱;不同石墨化程度的碳纤维经电化学氧化后,表面化学官能团以及ILSS的变化趋势均不同。不同石墨化程度碳纤维表面碳结构状态的不同是造成这些变化的根本原因。     

金属离子对PAN基碳纤维结构和性能的影响

采用浸渍的方法,将钠、铁离子引入聚丙烯腈(PAN)纤维。经预氧化、低温碳化后,分别在1200、1300、1500℃温度下,对PAN纤维进行高温碳化处理。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、体密度、力学性能等测试手段研究了金属离子对PAN基碳纤维结构和性能的影响。结果表明,添加金属离子后,1500℃处理的碳纤维(002)面的层间距减小,碳纤维的抗拉强度降低,碳纤维的弹性模量增加;碳纤维横断面结构尺寸大小不一,结构疏松。金属离子的加入,一方面能促进碳纤维的乱层结构向石墨结构的转变,弹性模量增加;另一方面使碳纤维的缺陷增加,抗拉强度降低。     

国产高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术研究进展

 综述了近年来高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的研究进展,对PAN聚合、原丝制备、预氧化和碳化过程中最为关键的问题进行了总结：（1）聚合工艺对共聚单体在PAN分子链上的分布和溶液的均匀性非常重要。与间歇聚合或半连续聚合工艺相比,连续溶液聚合工艺可以提供更稳定的纺丝溶液,减少聚合过程中微凝胶的产生,并提高PAN原丝乃至碳纤维的均匀性。（2）PAN溶液进行湿法或干湿法纺丝过程中,相分离过程控制对PAN原丝及其碳纤维中微缺陷形成和发展,微缺陷的含量至关重要,并最终影响碳纤维的性能。干燥和牵伸工艺对于优化PAN碳纤维原丝的结晶和取向结构,制备高品质的碳纤维原丝同样起决定作用。（3）预氧化的升温速度、最高预氧化温度和预氧化张力控制对预氧丝的皮芯结构、环化指数及其对后续碳化工序的顺利进行产生重要的影响并影响碳纤维的性能;碳化的最高温度影响PAN基碳纤维的强度和模量。（4）碳纤维的结构与其性能具有直接相关性,中国对相关研究仍然比较缺乏,碳纤维生产技术水平和自主创新能力仍然不足。     

Effect of Post Spinning Modification on the PAN Precursors and Resulting Carbon Fibres

The impregnation of a special grade polyacrylonitrile(PAN) precursor fibres was carried out in a 8 wt.% KMnO4 aqueous solution to obtain modified PAN precusor fibres.The focus is primarily on the effects of modification on the structure and the pbysical properties of precursor fibres,thermal stabilised and their resulting carbon fibres,which were characterized by the combination use of densities,wide-angle X-ray diffraction(WAXD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS),Elemental analysis(EA),Fourier transform infrared(FT-IR) and seaming electron microscope(SEM),etc.KMnO4 as a strong oxidizer can swell,oxidize and corrode the skin of a precursor ibre,transform partly C≡N groups to C=N ones,decrease the crystal size,increase the orientation index,increase the crystallinity irdex,furthemore ircrease the densities of modified PAN precursors and resulting thermal stabilised fibres.As a result,the carbon fibres dcveloped from modified PAN fibres show,an improvment in tensile strength of 31.25% and an improvement in elongation of 77.78%,but a decrease of 16.52% in Young's modulus.