【摘 要】
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随着碳纤维制备工艺的发展和复合材料技术的进步,碳纤维因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳和导电导热等优良特性,已在国防军工、航空航天、汽车船舶和高端体育用品领域有广泛的应用。然而碳纤维的褶皱、劈裂和皮芯结构等缺陷严重影响了碳纤维的质量和性能,所以必须减少甚至消除这些缺陷。目前传统的制备碳纤维的纺丝方法无法避免这些缺陷,所以本课题创新地提出采用微纳层叠技术制备矩形截面碳纤维原丝,以聚丙烯腈（PAN）和中间
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随着碳纤维制备工艺的发展和复合材料技术的进步,碳纤维因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳和导电导热等优良特性,已在国防军工、航空航天、汽车船舶和高端体育用品领域有广泛的应用。然而碳纤维的褶皱、劈裂和皮芯结构等缺陷严重影响了碳纤维的质量和性能,所以必须减少甚至消除这些缺陷。目前传统的制备碳纤维的纺丝方法无法避免这些缺陷,所以本课题创新地提出采用微纳层叠技术制备矩形截面碳纤维原丝,以聚丙烯腈（PAN）和中间相沥青（MP）基混合凝胶溶液作为碳纤维原料,经后续预氧化和碳化工艺,成功制备出带状叠层MP/PAN复合碳纤维。主要研究内容及结论如下:（1）研究了MP和PAN配比不同对带状叠层碳纤维原丝的影响。研究发现凝胶溶液中MP和PAN含量的增长均有利于带状叠层碳纤维原丝中C元素含量的增加,并且带状叠层碳纤维原丝的表面和截面形貌良好,未观察到皮芯结构,但存在少量微孔缺陷;通过氧气气氛中TG分析得出适宜预氧化处理的温度区间为90℃-110℃,与传统PAN和MP碳纤维的预氧化温度相比大大降低。（2）研究了不同温度对带状叠层MP/PAN复合碳纤维预氧化的影响。研究发现与原丝相比O元素含量明显升高,微晶取向也有所提升,并具有良好的形貌;虽然内部尚存在微孔,但未出现褶皱、劈裂和皮芯结构;110℃的预氧化温度与传统碳纤维生产方式的预氧化温度已经大大降低;通过氮气气氛中TG分析得出适宜碳化的温度区间为700℃-900℃,传统PAN和MP碳纤维的碳化温度相比大大降低。（3）研究了不同碳化温度对带状叠层MP/PAN复合碳纤维的影响。研究发现带状叠层MP/PAN复合碳纤维具有良好的形貌,随着碳化温度的升高,具有更为规整有序的类石墨微观结构;导电性能也随MP含量的增加和碳化温度的升高而提升,电导率最好可达10.75 S/cm。上述优良的结构与性能仅在800℃的碳化温度下得到,故微纳层叠技术在制备高性能碳纤维方面具有极大的潜力。
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