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。     

聚丙烯腈基炭纤维的组织结构及力学性能

在不同温度下对聚丙烯腈基炭纤维(PAN-CF)进行张力炭化处理并进行高温石墨化.研究结果表明:在炭化过程中,PAN-CF的拉伸强度在1400℃时达最大值,拉伸模量则随炭化温度的升高而增大;与炭化样品相比,PAN-CF石墨化后的拉伸强度减小,拉伸模量增大;随着炭化温度的升高,微晶c轴方向堆叠厚度Lc增大,层面间距d002减小; 炭化温度为1400℃时,PAN-CF在石墨化后,内部的炭颗粒排列得非常紧密,并且孔洞、裂纹、皮芯结构等缺陷很少;当炭化温度高于1400℃时,石墨化后PAN-CF内部有大量缺陷,使PAN-CF的拉伸强度大大降低.     

碳纤维:一种重要的建筑材料

碳纤维的优良性能 碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状炭材料,是以有机纤维——聚丙烯晴(PAN)纤维、粘胶纤维、沥青纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温固相反应工艺过程制备而成,由有择优取向的石墨微晶构成,因而具有很高的强度和弹性模量(刚性)。它的比重一般为1.70　g/cm3～1.80g/cm3,强度为1200　MPa～7000MPa,弹性模量为200　GPa～400GPa,热膨胀系数接近于零,甚至可为负值(～1.5×10-6)。 碳纤维同时具有高比强度　、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。这些优良的…     

拉伸速率对碳纤维单丝拉伸性能的影响

碳纤维单丝直径通常小于10μm,拉断载荷很小,其拉伸试验有别于常规材料.测定了T300-12K碳纤维单丝的拉伸性能,考察了拉伸速率对拉伸性能的影响.结果表明:随着拉伸速率提高,碳纤维单丝拉伸强度明显增大,拉伸强度由拉伸速率为0.1mm/min时的2 699MPa增加到10mm/min时的3 464MPa;表观弹性模量略有增大,大致呈线性规律增加,由拉伸速率为0.1mm/min时的186GPa增加到10mm/min时的209GPa;断裂伸长率随拉伸速率变化不大.     

炭化气流诱导效应对聚丙烯腈基碳纤维微观结构和力学性能的影响

采用广角X射线衍射(WAXD)、气相色谱(GC)、元素分析(EA)、扫描电子显微镜(SEM)等表征手段定量分析了炭化气流诱导效应对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维聚集态结构及力学性能的影响。结果表明,PAN基碳纤维密度与炭化气流具有显著关联性,逆向气流可有效提高纤维密度,改善致密性;PAN基碳纤维的晶区含量同时取决于晶粒的大小和数量,逆向炭化气流有利于小晶粒的形成和晶区含量的提高,并对孔隙的形成具有抑制作用。保持炭化逆向气流比为3时,所得PAN基碳纤维的微晶尺寸(1.52nm)较小,晶区含量(35.2%)最高,孔隙率(16.2%)较低,此时拉伸强度(4.03GPa)最高,比正向气流条件下制备的PAN基碳纤维的拉伸强度提升了35.7%。     

碳纤维毡增强聚丙烯复合材料的力学性能

将长碳纤维开松针刺成毡,并通过双钢带压机制备了碳纤维毡增强聚丙烯复合材料(CFRPP),考察了碳纤维长度、含量、纤维毡的针刺及针刺类型、基体改性等因素对复合材料力学性能的影响,并对复合材料断面进行了扫描电镜观察以分析CFRPP界面结合情况。结果表明:实验范围内的纤维长度对碳纤维增强复合材料的力学性能基本没有影响;复合材料综合力学性能最佳的碳纤维质量分数约为30%;碳纤维毡经三角形针针刺后复合材料的拉伸性能得到较大幅度提高;相容剂马来酸酐接枝聚丙烯(MPP)能够改善碳纤维与聚丙烯的界面结合,提高复合材料的力学性能,其最适宜的相容剂MPP的质量分数约为20%;将长度为80mm的碳纤维用三角针刺成毡后,以MPP改性的聚丙烯(wMPP=20%)浸渍制备得到碳纤维质量分数为30%的复合材料,拉伸强度为203.3 MPa,拉伸模量达16.6GPa,弯曲强度为223.2 MPa,弯曲模量达到12.0GPa,缺口冲击强度为752.2J/m。     

碳纤维在聚乙烯复合材料中的作用

作者将沥青基碳纤维作为增强纤维以不同比例(0～25％)加入到聚乙烯树脂中制成复合材料,并研究了这些复合材料的力学性能、电学性能及耐热性的变化规律。结果表明:碳纤维有显著的增强作用。随碳纤维比例的增大,该复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量及热变形温度均呈上升态势;而缺口冲击强度及击穿电压呈下降态势。碳纤维增强的结果将使该复合材料比聚乙烯有更宽的使用范围。     

环境温度对碳纤维复合材料层合板力学性能的影响

环境温度对飞机复合材料结构的力学性能有着至关重要的影响。为了更好地掌握碳纤维/树脂基复合材料层合板在不同温度环境下的力学性能变化情况,以W-3021FF/LY 1564 SPT/XB 3487复合材料为研究对象,在湿法成型工艺下,分别在-54℃、25℃(室温)、71℃温度环境下进行拉伸、压缩力学性能试验,并利用扫描电镜显微镜(SEM)对力学性能试样断口进行扫描分析。试验结果表明:与室温环境相比,低温环境下碳纤维与环氧树脂基黏合增强,复合材料层合板的拉伸与压缩强度提高;而高温环境碳纤维与环氧树脂基结合弱化,复合材料试样的拉伸与压缩强度均降低。     

碳纤维催化石墨化的研究概况

论述了催化剂种类、含量及石墨化温度三因素对碳纤维催化石墨化反应的影响。以非金属元素硼、硅为例,从催化作用机理方面阐述了碳纤维在催化石墨化过程中微观结构的变化及宏观力学性能的改变,并对催化石墨化技术的研究发展进行了展望。     

一步活化法制备过程中H2O蒸气对聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs)结构性能的影响

以Courtaulds纤维为原料,采用连续化碳纤维生产线制备出稳定的预氧纤维,通过连续化活化炉进行预碳化和水蒸气物理一步活化,制备出具有高吸附性能和高拉伸强度的聚丙烯腈基活性碳纤维（PAN-ACFs）丝束。借助比表面积（BET）、广角X射线衍射（WAXD）、力学性能和碘吸附等表征测试手段研究了水蒸气量对PAN-ACFs孔结构及力学性能的影响。结果表明：在适当的活化时间、活化温度下,逐步增加水蒸气的流量,活性碳纤维的吸附能力先快速增大,而后稳定,最后再缓慢地增加;纤维的拉伸强度呈现出先增大后减小的变化趋势;当水蒸气流量为1g/min,起始的温度为650℃,高温区为850℃,活化时间为20min时,所制备的PAN-ACFs具有相对较高的吸附性能、力学性能和碳化收率。     

Wet spinning of PVA composite fibers with a large fraction of multi-walled carbon nanotubes

PVA composites fibers with a large fraction of multi-walled carbon nanotubes modified by both covalent and non-covalent functionalization were produced by a wet-spinning process.Model XQ-1 tensile tester,thermogravimetric analysis,scanning electron microscopy,differential scanning calorimetry,and wide-angle X-ray diffraction were used to characterize the properties of PVA/MWNT composite fibers.The TGA results suggested that MWNTs content in composite fibers were ranged from 5.3 wt%to 27.6 wt%.The mechanical properties of PVA/MWNT composite fibers were obviously superior to pure PVA fiber.The Young's modulus of composite fibers enhanced with increasing the content of MWNTs,and it rised gradually from 6.7 GPa for the pure PVA fiber to 12.8 GPa for the composite fibers with 27.6 wt%MWNTs.Meanwhile,the tensile strength increased gradually from 0.39 GPa for the pure PVA fiber to 0.74 GPa for the composite fibers with 14.4 wt%MWNTs.Nevertheless,the tensile strength of the composite fibers decreased as the MWNTs content up to 27.6 wt%.SEM results indicated that the MWNTs homogeneously dispersed in the composite fibers,however some agglomerates also existed when the content of MWNTs reached27.6 wt%.DSC results proved strong interfacial interaction between MWNTs and PVA chain,which benefited composite fibers in the efficient stress-transfer.WXAD characterization showed that the orientation of PVA molecules declined from 94.1%to 90.9%with the increasing of MWNTs content.The good dispersibility of MWNTs throughout PVA matrix and efficient stress-transfer between MWNTs and PVA matrix may contributed to significant enhancement in the mechanical properties.     

碳/碳复合材料中不同微区的基体结构

为优化碳基体结构,提高碳/碳(C/C)复合材料综合性能,针对沥青基C/C复合材料中纤维束内及纤维束间不同碳基体结构微区,利用显微Raman光谱、原位纳米力学测试、Micro-CT、扫描电镜(SEM)和压汞仪对碳基体结构进行研究。结果表明:碳基体呈片层结构沿纤维、纤维束表面取向堆积排列,在纤维、纤维束表面区域及纤维束之间碳基体中存在一定孔隙、裂纹等缺陷;纤维间基体的石墨化程度是沿着纤维表面向中心区域逐步增强,靠近纤维表面区域基体的弹性模量高于纤维间区域的弹性模量。C/C复合材料中碳基体形成过程存在渐次性和差异性,从而影响C/C复合材料综合力学性能。     

碳纤维石墨化专用微波矩形槽波导谐振腔的设计及数值模拟

微波作为一种碳纤维石墨化过程中的加热方式,对于实现碳纤维在径向和周向上的均匀石墨化具有潜在优势。由于电磁波在腔体内传递时能量分布有很大的不均匀性,首先针对微波加热腔体的形状和尺寸进行了设计;随后采用Ansys Electronics软件建立了加热碳纤维丝束的电磁加热-热辐射-流动传热模型,模拟了腔体内的电磁场和温度场;最后分析了走丝速度与保护气体流速对于腔内温度场分布的影响,结果表明：保护气体流速对加热过程中丝束能达到的最高温度影响较大,而走丝速度对最高温度的变化基本没有影响。本文研究对于碳纤维微波石墨化加热腔的研制具有较实际的指导意义。     

不同黏度聚丙烯流动性能及其皮芯型纺黏纤维

研究了不同黏度聚丙烯熔体的表观黏度与切变速率、温度之间的关系,并比较了不同黏度聚丙烯熔体制得的皮芯型纺黏纤维的力学性能和结构。结果表明:随着温度的升高,黏度越大的聚丙烯熔体的表观黏度减小速率越快;随着切变速率的加快,熔体的表观黏度不断减小。在相同的纺黏工艺条件下,低黏度的聚丙烯熔体制得的皮芯型纤维更细,断裂强度更小;与机械牵伸工艺相比,聚丙烯复合纤维的解取向程度改变不明显,黏度越小的聚丙烯复合纤维取向度和结晶度越大。采用不同黏度聚丙烯熔体制备的皮芯型纺黏纤维,仅部分纤维截面会呈现皮芯型结构。     

碳化锆/锆涂层炭纤维的制备及其拉伸性能研究

在一定反应温度范围内以熔盐为介质通过炭纤维与金属锆反应制备出碳化锆/锆涂层炭纤维,并在反应温度为800℃时,研究反应时间对碳化锆/锆涂层炭纤维表面相组成、形貌及其拉伸性能的影响。结果表明,800℃可制备均匀致密的碳化锆/锆涂层;且随着反应时间的延长,碳化锆/锆涂层厚度略有增加;涂层后炭纤维的拉伸强度和拉伸模量比原炭纤维的相应值略有减小。     

Effect of Processing Parameters on Morphology and Mechanical Properties of Hollow Gel-Spun Lignin/Graphene Oxide/Poly (Vinyl Alcohol) Fibers

To investigate the influence of various processing parameters on the mechanical properties of fibers, lignin/graphene oxide(GO)/poly(vinyl alcohol)(PVA) fibers with different mass ratios of lignin and GO to PVA were prepared by gel spinning technique. Air drawing process and spinneret diameters were tuned as the main factors. The tensile strength increased up to 472 MPa with air drawing process applied in 30 L0.05 GO0.72 D-A PVA fibers(air-drawn PVA fibers reinforced by 30% lignin and 0.05% GO spun with a spinneret diameter of 0.72 mm), indicating 17.4% higher than that of the fiber without air drawing process(402 MPa). Similarly, at least a 14.6% increase in Young's modulus has been achieved for 30 L0.05 GO0.72 D-A fiber. In addition, a smaller spinneret diameter(0.72 mm) also led to a 24.9% increase in tensile strength and a 7.7% increase in Young's modulus in comparison with those of 5 L0.05 GO0.84 D-A fibers.     

混杂钢纤维增强超高性能水泥基材料力学性能分析

采用平直型超细钢纤维与压痕型中长钢纤维混杂,系统研究了混杂比例对超高性能水泥基复合材料(UHPCC)流动性能、力学行为的影响,以及纤维外形对界面粘结力的影响.研究表明,随压痕型钢纤维掺入量增加,新拌浆体的流动度下降;在纤维体积率一定时,2种纤维等比例混杂,材料的抗压、拉伸、弯曲强度与弯曲韧性等力学性能为最佳;当水胶比固定时,压痕钢纤维与基体界面粘结力大于平直型超细钢纤维.试验还表明,2种纤维混杂在不同结构、不同尺度和不同时间层次对抑制裂缝的生成和扩展分别发挥作用,两者协同作用使材料总体力学性能显著提升.     

碳纤维织物增强水泥基复合材料试验研究

采用轴向拉伸试验研究了碳纤维织物增强水泥基复合材料(TRC)的静力力学性能,试验工况考虑了配网率、短切钢纤维以及碳纤维织物上的预拉力3个因素.试验结果表明:没有掺加短切钢纤维的薄板,随着配网率的增加,碳纤维织物利用率降低,试验过程中纤维层与水泥基层逐渐分离,最终薄板发生剥离破坏;对碳纤维织物施加预拉力能使薄板的开裂应力提高,从而提高TRC构件的正常使用寿命;在薄板中掺入短切钢纤维有助于提高其界面性能,进而使薄板抗拉强度、极限应变均得以提高;与施加预拉力相比,掺入短切钢纤维对薄板力学性能的改善更加显著;对碳纤维织物施加预拉力的同时在薄板中掺入1%的短切钢纤维可显著提高碳纤维的利用率,薄板破坏时碳纤维被完全拉断.     

强磁场对球墨铸铁退火处理的影响

研究了强磁场对退火处理球墨铸铁力学性能以及渗碳体分解、碳扩散的影响．在平行试样方向上施加强磁场进行退火处理后，球铁的拉伸强度、硬度降低．延伸率、断面收缩率升高．SEM分析表明，施加强磁场能够显著地提高渗碳体分解和碳扩散的速度．磁化力F是加速渗碳体溶解和碳扩散的驱动力，通过推导可以得出单位体积力F的表达式。