【摘 要】
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PAN基碳纤维是制备先进复合材料的重要增强材料,应用非常广泛。石墨化过程中,纤维模量提高,强度降低,其中孔隙是造成碳纤维强度下降的主要原因。系统地获得碳纤维石墨化过程中内部孔隙结构的动态变化信息,对于理解纤维微观结构与宏观性能的关系进而优化石墨化工艺、减少孔隙等缺陷的形成,从而提高纤维的拉伸强度具有重要意义。为此,在北京同步辐射1W2A束线SAXS实验站对碳纤维石墨化过程进行了原位测试,探究了碳纤
【基金项目】
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国家自然科学基金(U1910206); 煤转化国家重点实验室开放基金(Grant No.J21-22-604);
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PAN基碳纤维是制备先进复合材料的重要增强材料,应用非常广泛。石墨化过程中,纤维模量提高,强度降低,其中孔隙是造成碳纤维强度下降的主要原因。系统地获得碳纤维石墨化过程中内部孔隙结构的动态变化信息,对于理解纤维微观结构与宏观性能的关系进而优化石墨化工艺、减少孔隙等缺陷的形成,从而提高纤维的拉伸强度具有重要意义。为此,在北京同步辐射1W2A束线SAXS实验站对碳纤维石墨化过程进行了原位测试,探究了碳纤维石墨化过程中孔隙结构的变化。主要研究内容如下:1.碳纤维石墨化炉的开发。石墨化过程是提高纤维拉伸模量的重要手段。碳纤维石墨化过程的原位SAXS研究可以获得纤维内部孔隙结构的动态变化信息。因此,本文设计了一款用于北京同步辐射原位SAXS测量的碳纤维通电直热石墨化炉,该装置具有升温快、体积小、无需保温、无需水冷和易与同步辐射平台集成的特点。2.原位SAXS研究碳纤维石墨化过程中孔隙结构的变化。本工作利用自主设计的碳纤维石墨化原位反应装置对聚丙烯腈基碳纤维(T700)石墨化(1400℃~2200℃)过程进行了原位SAXS研究,获得了纤维内部孔隙结构的变化规律,包括微孔取向角、取向度、长轴、短轴、轴比、孔分布、孔隙率和比表面积。3.原位SAXS研究碳纤维石墨化过程中分形结构的变化。本工作利用SAXS方法原位研究了聚丙烯腈基碳纤维(T700)石墨化(1400℃~2200℃)过程中不同方位角下分形结构的变化。结果发现,由子午到赤道方向,随着方位角的增大,分形特征发生变化,由孔分形结构转变为表面分形结构,且分形维数随方位角和热处理温度的变化发生了显著变化。
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