碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐热性好等优点,是理想的复合材料增强体。聚丙烯腈纤维作为最重要的前驱体,需经过不熔化、碳化处理才能得到高性能碳纤维。不熔化处理一般在150-300℃进行,是一个复杂的化学和物理转变过程,并伴随着大量的热量释放。不熔化反应温度高,分子链解取向严重。传统的不熔化工艺通常采用缓慢加热的方式来抑制热量的集中释放,消耗大量时间和能耗,碳纤维生产成本居高不下,抑制了在民用领域的应用。因此,对聚丙烯腈原丝进行相关的改性处理,缩短不熔化时间和降低不熔化处理温度成为亟待解决的问题。针对此,本文探索了聚丙烯腈纤维经过γ射线辐照处理后的不熔化碳化行为。利用γ,射线辐照使聚丙烯腈分子链在室温下发生化学反应,产生梯形结构,抑制热处理阶段分子链的解取向,从而使不熔化纤维保留了分子链沿纤维轴向的高取向度。在不熔化阶段施加较大的张力进一步提高取向,碳化处理后得到晶区取向度较高的碳纤维,提高力学性能。(1)研究辐照对聚丙烯腈原丝结构及性能的影响。辐照改性后,纤维颜色加深,结合红外光谱和元素分析,发现分子链形成了部分环化结构和含氧官能团。XRD测试表明辐照诱发化学反应改变了微晶结构。DSC和TG测试分析得知改性纤维的放热峰有所提前且变得平缓,热稳定性变好,碳收率提高。改性后单丝断裂伸长率提高了13%。(2)研究辐照改性对不熔化处理的影响。分析不熔化纤维的力学行能、热性能和元素含量等。拉伸强度测试得知改性后不熔化纤维的断裂伸长率大大提高,改性后纤维所能承受的最大外加张力增加,提高了50%,有利于在不熔化处理过程中施加较大张力,得到直径更细的不熔化纤维,并最终制得高性能碳纤维。DSC测试得知原丝改性经过不熔化处理后环化度提高。元素分析和体密度测试发现若要达到相同的不熔化状态,辐照改性后的纤维热处理时间缩短7min左右,不熔化处理时间缩短12%。(3)研究辐照改性原丝对碳纤维结构和性能的影响。力学性能测试发现改性后在相同的工艺条件下所得到的碳纤维,拉伸强度提高。最大拉伸强度从2.575GPa提升到2.986GPa。模量基本保持不变,个别情况有所下降。体密度提高,缺陷减少。XRD测试得知改性原丝所得碳纤维晶区取向度提高,且随不熔化过程初始外加张力的增加呈上升趋势。SEM分析发现改性原丝所得碳纤维表面形貌更加粗糙,凹槽结构比较明显。