扫描电子显微镜研究聚丙烯腈纤维的织态结构和缺陷

高性能碳纤维及其复合材料是近十多年来国际上迅速发展起来的,用于航天和航空技术上的一种新型材料。聚丙烯腈(PAN)纤维是制造高性能碳纤维的重要原料。碳纤维的性能与所用PAN纤维的质量及生产碳纤维的工艺条件有密切的关系。特别是所用PAN纤维的织态结构(包括所有各级的超分子结构)及其缺陷对所制的碳纤维的结构和性能有很大影响。为制得高性能的碳纤维,必须尽可能去消除碳纤维表面和内部缺陷(这些缺陷限制了碳纤维的强度及强度的均匀性)。必须指出,PAN纤维的内部缺陷和一些外部缺陷往往将原封不动地保留在碳化后所得的碳纤维中,而且PAN纤     

基于XRD的径向分布函数法研究碳纤维制备过程中的结构演变

采用X射线和径向分布函数研究分析了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维制备过程中的结构演变。结果表明,PAN原丝中存在着与石墨类似的结构,该结构是石墨微晶结构形成的重要基础;PAN大分子链最近邻链间间距为0.688nm;碳化温度在500～1250℃范围内的碳化纤维中的第三近邻距离均大于石墨晶体的第三近邻距离,表明碳纤维中没有形成平面构型的六元环石墨烯层片;在整个碳纤维的制备过程中,纤维结构经历了长程有序-长程无序、短程有序-长程有序的演变。     

高性能纤维的可织性研究进展

高性能纤维的可织性反映了高性能纤维在织造成形加工中的抗损伤能力,其优劣直接影响织造效率和最终复材制品的性能和质量。本文内容涉及碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和多种无机陶瓷纤维的可织性研究。主要介绍了高性能纤维的三维机织损伤表征与优化技术,阐述了其可织性评价方法的研究现状与进展,归纳了不同类型高性能纤维织造适应性的改善方法,最后提出了本领域亟待解决的问题和主攻方向。     

用作热防护材料的PAN基碳纤维织物

粘胶基碳纤维织物已广泛用作烧蚀和绝热复合材料。由于行情和利润不断下降,用连续粘胶纤维制得的碳纤维制品最终可能不易买到或限制供应。因此,围绕获得相应的PAN基碳布、测定其性能并制作布带缠绕酚醛树脂复合材料开展了研究。市场上买得到的PAN基碳布具有强度高和质量均匀等特性,但绝热性和化学纯度较差。特殊的PAN基碳布是在较低的(低于1350℃)热处理温度下获得的,并且应用于20°布带缠绕酚醛复合材料中。对这种复合材料的烧蚀、热物理、机械和化学性能的测定表明,所研制的复合材料可以代替粘胶基碳布/酚醛,但纤维与基体之间的粘结和纤维的纯度尚需进一步改善。     

国外碳纤維及其复合材料的生产和应用概况

用多丝束PAN纤维(32万孔)生产碳纤维起源于西欧。此方法大大降低了碳纤维生产成本,且性能没有很大差别。更适用于片状模压、短纤注射或湿缠绕增强等。1981年以来随着碳纤维成本下降和工艺水平的提高,应用于一般工业领域的碳纤维需要量骤增。本文还着重介绍了碳纤维在宇航和航空、交通、机械和仪器、电器、体育和娱乐用品、医学等方面的应用概况。     

碳化过程中改性聚丙烯腈预氧化纤维的高温热应力应变研究

采用对比方法研究了高锰酸钾改性与未改性聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维在碳化过程中的高温热应力应变行为。表征了过程纤维的基本物化性质,并用SEM,WAXD,EA等对其结构进行了研究。研究结果表明,改性纤维的热应力应变变化可分为370,500,900℃前后4个区域。与未改性纤维相比,改性纤维的应力在370℃以下增长较快;370~500℃快速下降;500~900℃则迅速增高,同时比未改性PAN纤维应力增加20%以上;900℃以上应力基本保持稳定。大负荷下改性纤维易伸长,小负荷下易收缩,与未改性纤维的差别随负荷减少而减小,500℃以上,两种纤维应变速率变化趋势相近。热应力和热应变是纤维在碳化过程中聚集态结构、化学组成、热化学反应能力的综合体现。与热应变相比,热应力的变化趋势更显著,因而可采用控制碳化过程中纤维热应力的变化控制连续制备中纤维结构的变化。经KMnO4改性PAN纤维制取碳纤维的抗张强度比未改性纤维增加了约20%。     

水对ＰＡＮ／ＤＭＳＯ／Ｈ２Ｏ的流变行为和原丝性能的影响

研究了水对PAN/DMSO/H2O纺丝液的流变行为和可纺性能的影响.结果表明,在较高的剪切速率下,PAN溶液表现出"切力变稀".而在较低的剪切速率下,随着温度的增加,溶液黏度逐渐变低.水含量对溶液的黏度有较大影响.随着体系中水含量的不同,H2O-PAN之间的水和作用于水的脱溶剂作用之间形成竞争,从而决定黏度的变化.适量水的加入可以提高纤维的力学性能.随着纤维拉伸倍数的增加,聚丙烯腈纤维的断裂强度增加,断裂伸长率下降.在一定的纺丝条件下,随着含水量的增加,纺丝原液的可纺性会降低.而适量的水有利于获得具有弥散状微孔的均一结构的原丝.     

国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料拉伸载荷下的失效模式分析

通过常温干态、常温湿态、高温干态、高温湿态四种环境条件下,对5种国产碳纤维与T300碳纤维复合材料进行纵向拉伸试验,采用宏微观相结合的方法,从数据表现、宏观形貌以及微观形貌(电镜扫描照片)三个方面对其失效模式和损伤机理进行了研究.结果表明国产纤维复合材料虽然在拉伸性能上基本能超越T300复合材料,但是其失效模式却不尽相同,特别是由于界面性能的不同而造成的失效模式的差异尤为明显.因此,国产碳纤维复合材料要得到更为广阔的应用,还需进一步改进其界面性能.      

用电子显微镜研究四氯化锡催化法从聚丙烯腈纤维生产碳纤维

前言碳纤维复合材料是六十年代中期发展起来,用于航空和空间技术的一种新型材料。近十年来,这领域的发展极其迅速。目前国外多数是采用氧化法从聚丙烯腈(PAN)纤维生产质量较好的碳纤维,同时也在探索快速生产碳纤维的各种催化方法。然而,有关这方面的关键技术资料和系统研究的结果     

共聚丙烯腈纤维热性能的研究

前言 自六十年代以来,聚丙烯腈纤维(PANF)就成为制备高强度高模量碳纤维的最重要的原料,制备PAN基碳纤维,首先要经过200-300℃的热处理,使PANF大分子氧化环化,变成耐热的梯形高聚物,这一步骤对制备高性能的碳纤维至关重要。在开发的初期,从纤维的高度取向和致密性良好的角度     

平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比

为研究碳纤维平纹机织和碳纤维2.5D机织复合材料平板的弹道冲击响应及失效模式,在空气炮装置上使用圆柱弹体对其进行了弹道冲击试验。通过弹道极限速度、吸能总量、单位面密度吸能量和单位厚度吸能量等指标评估其弹道冲击特性,并采用超声C扫描和CT扫描唯象分析其冲击损伤。结果表明：在等厚度下,碳纤维平纹机织复合材料平板与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,展现了更优的弹道冲击性能。碳纤维平纹机织复合材料平板的主要失效模式为分层失效,碳纤维2.5D机织复合材料平板主要为剪切充塞失效。与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,平纹机织复合材料平板弯曲变形明显,大量的纤维拉伸失效增加了平板吸能量,提高了弹道极限速度,但分层会导致平板损伤区域大,完整性较差;碳纤维2.5D机织复合材料平板损伤区域小,完整性好。     

二维和三维纺织结构复合材料弹性性能的研究

提出了预测纺织结构复合材料弹性模量的理论方法,该法考虑了结构中实际存在的纬向纤维束和经向纤维束的曲屈对纺织结构复合材料弹性性能的影响,建立了复合材料弹性性能与织物结构参数——纬向和经向纤维束平均取向角之间的关系;并通过实验测试考察了以二维和三维织物制备的碳纤维织物／环氧树脂复合材料的弹性性能,将弹性模量的理论计算结果和实验数据相比较,证明了所提出的计算模型是精确的     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

催化法碳纤维的化学成分分析

催化法碳纤维是将聚丙烯腈均聚或共聚纤维经过路易士酸(例如四氯化锡)处理成耐焰纤维,再经过空气氧化后,进行碳化所得到的一种碳纤维材料。催化法碳纤维具有工艺周期短,碳纤维收率高,抗拉和抗折强度较高的特点。同时电子显微镜的观测也显示出它具有规整的微观结构。但是它也存在着含有催化剂残留的杂质和纤维相对含碳率低的缺点。为此必须将这种碳纤维的非碳元素及其存在状态作一详细的分析。     

镀金属碳纤维吸波涂层添加剂的初探

吸波涂层采用导电纤维作为添加剂,主要吸波机制是以导电纤维作为谐振电偶极子,与具有损耗性能的介质材料基体相配合,将入射电磁波的能量大量谐振消耗在基体里,从而达到衰减的目的。导电纤维可以采用金属丝、不锈钢丝,镀铝涤纶纤维、镀银尼龙纤维以及镀金属碳纤维等本文采用镀金属碳纤维(MCF)作为主要研究对象。     

21世纪先进纤维和复合材料的市场前景

3扩大未来工业市场的要来在规划扩大先进纤维和复合材料未来市场时必须考虑的几个重要而相互关联的问题是：技术、经济和政治与政府问题。3．且技术问题3．1．1改进纤维性能要不断改进先进纤维的性能。例如，当前PAN基高强碳纤维的应变可以达到2％，而在10年后应达到2．5％，这     

环境温度对碳纤维/ 聚醚醚酮复合材料拉伸性能及疲劳寿命的影响

通过拉伸实验获得碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)拉伸性能随温度的变化关系,并利用扫描电子显微镜观察断口形貌,研究分析了材料高温损伤机理。结果表明,随着环境温度的升高,碳纤维/PEEK的弹性模量与拉伸强度显著降低,在温度达到220℃时,分别下降89.20%和71.18%;断裂伸长率持续上升,在220℃时达到8.84%。弹性模量与断裂伸长率在T_g附近变化显著,主要原因是高温下纤维/树脂界面脱粘和树脂由玻璃态转化为高弹态后拉伸性能的显著变化。借助有限元方法计算由该材料制成的驾驶舱方向舵踏板在不同温度下的疲劳寿命,得出疲劳寿命随温度的升高而下降。在Coffin-Manson方程和通用斜率方程的基础上总结得出该材料疲劳寿命与温度的关系。     

CF／PPEK和CF／PPES复合材料界面研究

利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)研究了碳纤维/杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)和碳纤维/杂萘联苯聚醚砜(CF/PPES)复合材料的界面状态和结构,证明了纤维和聚合物的界面上确有新的化学结构出现,使CF/PPEK和CF/PPES的界面形成强的物理和化学作用。     

铸造碳纤维增强铝基复合材料

 用铸造法制备抗拉强度达800MPa的连续碳纤维增强铝基复合材料。将国产PAN 1碳纤维经SiC+Ni复合涂层处理后,以束状分布于铸模内,用调压铸造设备在0.75MPa的空气压力和4000Pa的真空度条件下,将铝合金液浸渗入铸模纤维内而获得C/Al复合材料。讨论了碳纤维复合涂层的作用和纤维的束状分布在浸渗动力学过程中的有利影响。