硼系催化剂对碳纤维结构和性能的影响
随着国防和军事工业的不断发展，高性能碳纤维作为一种强度高、模量高、耐腐蚀等性能优异的新型材料而被广泛应用。高质量的原丝、预氧丝是制备高性能碳纤维的重要前提。然而，皮芯结构是影响原丝、预氧丝质量稳定性的重要因素之一。因此，消除或抑制皮芯结构的形成，对制备均质碳纤维具有重要的意义。 采用催化剂改性纤维是减弱皮芯结构，制备均质碳纤维的有效手段。由于硼系这类特殊的催化剂可以与碳取代固溶，其选择性优先取代结构缺陷处的碳原子，完善了碳纤维的晶格缺陷，促使了碳纤维的无序炭结构向三维有序石墨晶体结构的转变，使碳纤维的模量和强度都有所提升并且可以使碳纤维均质的石墨化。就目前研究发展情况来看，通常都是采用溶液浸渍法对原丝、预氧丝、碳纤维进行改性，虽然在一定程度上提高了碳纤维的力学性能（模量大幅提高），但改性成果仅作用于纤维表皮，芯部效果并不明显，纤维的径向均一性仍很差。 因此，本论文采用机械混合法将纳米B4C催化剂均匀的分散在自制纺丝液中，并进行连续式预氧化、低温碳化、高温碳化处理。通过俄歇电子扫描(AES)、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、拉曼光谱仪(Raman)以及X射线衍射(XRD)等测试方法，探讨并分析了碳化硼催化剂对预氧纤维、碳纤维结构的变化情况以及硼的催化石墨化效应。实验结果表明: 在原丝制备过程中，由于双扩散的不均匀，导致纤维皮芯结构的形成，使得表皮较致密，而芯部叫疏松，导致径向结构不均一。这种不均匀的两相结构，在热处理过程中不断加剧，最终遗留到碳纤维中。在预氧化过程中，通过TG-DTA研究发现碳化硼改性的纤维预氧化反应温度提前，且在相同的升温区间，反应较充分，说明硼抑制了预氧化的反应速率，使氧气向纤维内部的扩散更充分，改善了纤维的径向均一性。 在碳化过程中，通过XRD研究发现，B改性后碳纤维的002衍射峰变的更加尖锐、强度更高，并且伴有向右移动的趋势。在1600℃温度下，未处理碳纤维的石墨化度为23.37％，而添加碳化硼的碳纤维石墨化度达52.9％，表现为石墨化度程度的提高。且机械混合法添加碳化硼与硼酸浸渍法相比，具有更好的催化石墨化效果，此外机械混合法添加碳化硼对减弱皮芯结构有一定的作用。通过Raman测试发现，添加碳化硼的碳纤维皮芯因子为0.88，而未处理碳纤维的皮芯因子为0.78，说明添加碳化硼的碳纤维皮芯结构有所减弱。
碳纤维;纳米粉末;硼系催化剂;力学性能;机械混合法
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
迟伟东
2015
中文
TQ342.742;O643.36
90
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）