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聚丙烯腈(PAN)纤维是制备碳纤维的重要前驱体,其取向结构会影响至PAN基碳纤维的取向。PAN纤维的取向结构是在纺丝成型过程中受到拉伸作用所形成的。但纺丝过程中PAN纤维会形成受迫高弹形变,其中的取向分子在受热条件下在熵弹回复力的作用下会出现物理收缩为代表的热松弛行为,进而发生取向损失和一系列结构变化。因此,通过控制PAN取向分子的热松弛行为,可以对PAN纤维的聚集态结构进行调控,有助于获得优良结构的PAN原丝和碳纤维。本文通过动态机械分析仪(DMA),热机械分析仪(TMA)等手段研究了 PAN纤维的热松弛行为,并通过PAN纤维高温蠕变实验来研究其高温黏弹性。在此基础上,本文创新性地利用PAN纤维高温反应生成交联结构的特性,与物理手段张力和温度一道对取向分子的热松弛行为进行控制。最后,控制热松弛行为后的纤维聚集态结构,力学性能等进行表征,得到如下结论:1、经研究表明,PAN取向分子的热松弛行为就是纺丝过程中产生的高弹形变的回复过程,高弹形变越大,纤维的内应力和尺寸收缩率就越大。高弹形变的回复过程主要与温度和张力有关。纤维中可以回复的高弹形变一般在10%左右。PAN纤维高温下的化学反应对纤维热松弛行为有抑制作用。2、PAN纤维在高温下,普弹模量、高弹模量和本体黏度均随温度升高下降,但是化学反应的作用又使松弛时间出现了随温度下降再增大的趋势。采用施加张力和提高温度的方式处理纤维可以控制PAN取向分子的热松弛行为。3、在纺丝过程中提高热处理温度,促使PAN纤维表层分子发生化学反应,可使纤维内应力和尺寸收缩率下降了 50%以上,取向分子的热松弛行为得到控制,纤维总取向度由未处理的49%上升至处理后的79%。4、采用张力和温度控制PAN取向分子热松弛行为后,对纤维性能会有影响。经过施加张力高温热处理后的PAN纤维制得的碳纤维微晶沿分子链排列更加规整,纤维晶区取向随处理温度提高而提高,拉伸强度由 4.23GPa 上升到 4.7GPa。