PAN基碳纖維制備過程中微納結構演變與發(fā)展.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)原絲中尺寸維度在1-100nm的微納結構，主要包括纖維的長周期結構、孔隙缺陷結構，是原絲向碳纖維轉變過程中最具繼承性的結構，從而也就成為對最終碳纖維結構與性能影響最為重要的一類結構。但由于研究手段及分析方法所限，目前對這一范疇的結構研究尚未得到充分的開展。
　　 本論文在有效采集濕法紡絲凝固成形的PAN纖維二維小角X-射線散射(SAXS)圖像的基礎上，通過理論模型的建立和散射強度的計算，對散射信息中的微孔結構和

2、長周期結構的疊加信號進行了合理的分離，獲得了纖維中長周期結構信息。同時結合相關函數(shù)分析方法，計算了長周期中準晶區(qū)厚度、非晶區(qū)厚度等結構參數(shù)，建立了PAN纖維的長周期特征結構的研究分析方法，同時對微納結構中的微孔結構找到較簡捷的分析方法。廣角X-射線衍射(WAXD)方法獲得的數(shù)據(jù)以及Porod定理驗證了所建立方法的準確性。論文所建立的PAN原絲微納結構的研究方法完善了數(shù)據(jù)解析方法及原絲表征體系，揭示了原絲成型過程中微納結構，包括長周期結構

3、與微孔結構的形成與演變規(guī)律，同時研究了PAN原絲在熱穩(wěn)定化過程中微納結構的繼承與轉變行為，在此基礎上，對各種演變過程提出了演變的模型，進行了合理的解析。研究結果表明:
　　 (1)通過微孔結構信息的模擬計算，有效分離了SAXS譜圖中的長周期結構和微孔結構信號，使得SAXS方法可以有效地運用于PAN原絲的長周期結構表征。
　　 (2)在PAN原絲濕法紡絲過程中，凝固初生纖維中存在尺寸為47.6nm的長周期特征結構，通過相關

4、函數(shù)分析得到了組成長周期結構的晶區(qū)、非晶區(qū)以及兩相過渡層的統(tǒng)計尺寸，并根據(jù)研究成果提出了凝固初生纖維中的長周期微單元模型。在凝固相分離過程中，長周期結構逐漸變短，但補充凝固并沒有改變纖維中的體系狀態(tài)。在牽伸外場作用下，纖維中長周期結構信號逐漸不明顯，纖維中體系逐漸變?yōu)榫?。到最終成型的原絲階段，纖維中原有長周期結構信號消失。
　　 (3)在PAN低溫熱處理過程中，由于環(huán)化反應的發(fā)生，纖維中從200℃始有層狀周期結構顯現(xiàn)，其長周期

5、結構尺寸為7.5nm左右。隨著熱處理溫度的提高，周期結構信號逐漸增強，在240℃條件下層狀周期結構信號達到最大值，其后由于環(huán)化反應逐漸完全，體系的均一化使長周期信號逐漸減弱。
　　 (4) PAN原絲的制備過程中，隨著原絲紡絲工藝過程的進行，纖維微孔統(tǒng)計含量降低，且尺寸逐漸減小，在沿纖維軸方向微孔尺寸維持在一定尺寸。低溫熱處理階段微孔含量和尺寸有先減小后增大的趨勢。
　　 通過本文的研究，建立了PAN纖維微納結構的研究分