预炭化升温速率对碳纤维结构与性能研究

"预炭化过程中升温速率对碳纤维结构与性能的影响 (2011年)" 本文是一篇工程技术领域的论文，研究了预炭化过程中升温速率如何影响聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的结构和力学性能。研究团队利用13C核磁共振波谱(13C-NMR)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)等先进的表征技术，深入探讨了预炭化阶段（400至800℃）的热化学反应和微观结构变化。 在预炭化过程中，纤维经历了一系列复杂的化学反应，包括非碳元素的脱除和分子链的交联，逐渐形成多晶和乱层石墨结构。这个阶段对于最终碳纤维的类石墨结构的形成至关重要。论文指出，升温速率的增加直接影响纤维的热应力、结构和力学性能。 具体来说，随着升温速率的提高，纤维的类石墨层间距d002呈现先减小后增大的趋势，而晶区堆叠厚度Lc则表现为先增大后减小。这些变化与纤维的拉伸强度和拉伸模量的先增后减趋势相呼应。研究人员发现，当升温速率达到132℃/min时，d002达到最小值，Lc达到最大值，此时纤维的力学性能最佳。 论文中提到，预炭化阶段升温速率的变化会导致纤维内部发生剧烈反应，裂解产物的脱除引发纤维热应力的变化，进而影响纤维的径向和轴向热收缩行为。先前的研究如刘杨等人的工作表明，在炭化阶段，纤维的应力在370℃以下迅速增长，370至500℃时快速下降，500至900℃时又急剧上升，900℃以上趋于稳定。 这项研究对于理解预炭化过程中的物理和化学变化，以及如何通过控制升温速率优化碳纤维的结构和性能具有重要意义。这对于碳纤维制造工艺的改进和高性能碳纤维的开发提供了理论依据。同时，这也为材料科学和工程领域的研究人员提供了有价值的参考，有助于他们设计出更先进、性能更优越的碳纤维产品。