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3.2碳纤维
电化学氧化法的影响因素: 电解质种类;电流大小;处理时间 等 经过电化学处理后可达到的效果: ?表面刻蚀形成沟槽,使CF的表面积增加; ?表面官能团数量,可在CF表面引入—OH,—COOH 等 电化学氧化法的优点: ?处理条件缓和、反应易控、操作简便; ?处理时间短,可以直接与CF生产线相连。 3.2.6.5 等离子体处理 通过等离子体处理,可产生以下效果: 使碳纤维表面的沟槽加深,粗糙度增加 并在纤维的表面产生了一些活性基团 如-COOH,-COO-,-OH,-C=O等 等离子体:随着物质能量的增加,物质的状态将发生由固→液→汽的转变,进一步增加气体能量,则气体原子中的电子可以脱离原子而成为自由电子,原子成为正离子,这种含电子、正离子和中性粒子的混合体,称为等离子体。 7.6.6 表面涂层法 表面涂层法: 即将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在CF表面。 表面涂层法有以下几种方法: ? 气相沉积法 ? 表面电聚合 ? 偶联剂涂层 ? 晶须生长法 等 气相沉积法:在碳纤维表面沉积无定型碳、金属涂层等。 表面电聚合:在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应,生成聚合物涂层。 偶联剂涂层:用偶联剂处理低模量碳纤维 晶须生长法:在碳纤维表面通过化学气相沉积生成碳晶须、SiC晶须等,改善碳纤维表面状态、成分及性能。 真正有实用价值的表面处理方法应具备的条件: ? 处理效果好,处理后CF强度基本不变或略有下降,最好升高; ? 处理时间短,可与CF生产线相匹配; ? 能够连续长时间处理,且操作简单、生产成本低。 等离子体处理法 臭氧气相氧化法 电化学氧化法 本节重点 1、以聚丙烯腈纤维为原丝制备碳纤维的工艺流程及制备过程中的变化与技术关键。 2、碳纤维表面处理的目的及途径。 3、碳纤维表面处理的方法,重点掌握气相氧化法、液相氧化法及电化学氧化处理法。具有实用价值的处理方法应具备的条件。 * 碳化过程的技术关键: 非碳元素的各种气体(如CO2、CO、H2O、NH3、H2、HCN、N2)的瞬间排除。 如不及时排除,将造成纤维表面缺陷,甚至断裂。 解决措施: 一般采用减压方式进行碳化。 碳化后含碳率:达95%左右 碳化产率: 约40~45% 5)石墨化 2500~3000℃ 施加张力 保护气体 (多使用高纯氩气Ar,也可采用高纯氦气He ) 密封装置(水密封,水银密封,保护气体正压密封等) 石墨化目的: 主要是引起纤维石墨化晶体取向,使之与纤维轴方向的夹角进一步减小,以提高碳纤维的弹性模量。 石墨化过程中: 结晶碳含量不断提高,可达99%以上 纤维结构不断完善 CF的乱层石墨结构 GrF的类似石墨的层状结晶结构 3.2.3.3以沥青为原料制造CF 优点: 沥青资源丰富,成本可降低。在民用方面有很大潜力。 沥青: 除天然沥青外,一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理,在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时,残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70%,平均分子量在200以上,化学组成及结构千变万化,它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。 沥青基碳纤维目前主要有两种类型: 力学性能较低的所谓通用级沥青基碳纤维--各向同性沥青碳纤维; 拉伸强度特别是拉伸模量较高的中间相沥青基碳纤维--各向异性沥青基碳纤维。 3.2.4 CF的结构3.2.4.1 结构单元 石墨:六方晶系 碳纤维:乱层石墨结构 最基本的结构单元:石墨片层 二级结构单元:石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成) 三级结构单元:石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右,弯曲,彼此交叉的许多条带状组成的结构。 3.2.4.2 皮芯层结构 CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。 皮层:微晶较大,排列有序。 芯层:微晶减小,排列紊乱,结构不均匀。 3.2.4.3 缺陷 碳纤维中的缺陷主要来自两方面: 原丝带来的缺陷 碳化过程中可能消失小部分,但大部分将保留下来,变成碳纤维的缺陷。 碳化过程带来的缺陷 碳化过程中,大量非C元素以气体形式逸出,使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。 CF中缺陷的观察研究手段: 扫描电镜(SEM):纤维表面缺陷 透射电镜(TEM):纤维内部结构 3.2.5 CF的性能3.2.5.1力学性能 模量 : 强度 :
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