高导热沥青基碳纤维制备过程中的结构演变与性能研究
高导热中间相沥青基石墨纤维(MPGF)是许多重要领域的热管理部件所需的关键材料，具有重要的应用价值。中间相沥青(MP)的物化性质、纺丝工艺参数（纺丝孔形状、纺丝压力及温度等）对纤维的结构有着重要的影响。在后续的处理工艺中，纤维原丝经适度的预氧化、碳化及石墨化处理，才能得到性能较为优良的MPGF。 本文以实验室自制的两种中间相沥青MP-1、MP-2为原料，探索纺丝沥青、纺丝压力及不熔化处理终温对MPGF结构与传导性能的影响。并以MP-2为原料，通过不同纺丝孔（圆型、带型以及Y型）制备多组纤维，对MPGF热导率与其直径、横截面结构以及微晶尺寸之间的关系进行探讨。选取Y型纺丝孔所得热处理后结构及传导性能较为优良的纤维作为研究对象，改变纤维原丝以及预氧丝中可溶组分的含量，探索纤维在制备过程中结构的发展规律以及可溶组分在该过程中起到的作用。主要的研究结果如下: (1)两种沥青均以H和C为主要成分（二者含量之和大于98％），相比于MP-1，MP-2的C和H含量更多，具有更大的H/C值。且MP-2的芳香性更大，芳香分子堆叠的更加致密且含有更多的侧链或环烷结构。 (2)纺丝压力为0.04MPa时，MP-2所得MPGF的石墨片层呈规整性和对称性良好的放射-折叠型结构分布，其他条件下，MP-1及MP-2所得MPGF均呈辐射状结构分布。在相同的纺丝压力下，相比于MP-1，MP-2所得MPGF具有更大的微晶尺寸和热导率，且随着纺丝压力的增大，两种原料所得MPGF的热导率均呈增加的趋势，当纺丝压力为0.04MPa时，MP-2所得MPGF的热导率达到最高，为742W/(m·K)。 (3)选取MP-2在纺丝压力为0.03MPa时所得纤维为研究对象，发现随着预氧化温度的升高，所得MPGF的截面结构由一开始的内部辐射、外部洋葱皮状结构转变为具有很好的规整性和对称性的放射型折叠结构。其热导率表现为先增大后减小的趋势，当预氧化温度为320℃时，热导率达到最高，为750W/(m·K)。 (4)圆型、带型及Y型纺丝孔所得MPGF截面上的片层排列较为致密、规整且辐射状结构较为发达时具有更高的热导率。当Y型纺丝孔所得MPGF的横截面分成三部分呈规整的径向辐射状排列时热导率最大，可达802W/(m·K)。制备的多组MPGF的热导率范围为450～810W/(m·K)，随着热导率的增加，微晶尺寸Lc呈现为上升趋势，La呈现为先升再降的变化趋势，而d002没有明显的变化趋势。 (5)纤维原丝的横截面上分布着长度约为50-100nm的圆球或椭圆体微畴，微畴经过不熔化处理后在纤维的截面形成薄板结构;碳化处理后，微畴收缩，边缘变直，微畴相互连接形成长度在200nm以上的线性畴或组合形成弯曲畴和环形畴;石墨化处理使得微畴进一步收缩变直，但仍然存在较多弯曲的畴结构，此时的MPGF具有明确的片层结构，整体分为三部分呈径向辐射状分布。 (6)可溶组分在纤维中起到一定的连接作用，可溶组分的减少使得MPGF的微晶片层变得更直更致密，但是未能对MPGF径向截面结构的排列分布方式产生影响。可溶组分在石墨化之前的阶段对纤维的致密程度起到一定的贡献，但在石墨化的过程中，它的存在反而限制了纤维中微晶的生长以及石墨片层的堆积。
石墨纤维;中间相沥青基;纺丝过程;结构演变;热导率
北京化工大学
硕士
材料工程
刘云芳;杨文宝
2020
中文
TQ342.743;TQ340.14
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）