玻璃纤维的结构.PPT

* （3）石墨化处理 2000~ 3000 ℃的高温处理，使乱层石墨结构向三维石墨结构转化。 目的：提高模量 石墨化过程： 石墨晶体尺寸↑，结晶度↑，取向角↓，层间距d002↓，从而较大提高纤维的模量。 石墨化： 硬碳：难石墨化 软碳：易石墨化 中间相沥青＞聚丙烯腈＞黏胶丝 * （4）上浆与表面处理 碳纤维的表面活性低，必须进行表面处理（氧化和上浆）以提高纤维表面的活性，从而提高复合材料的性能。 上浆的作用： 保护碳纤维，防止损伤与起毛， 作为碳纤维和树脂的偶联剂。 * 2）沥青基碳纤维的制造 沥青基碳纤维的原料： 天然沥青 煤焦油沥青 石油沥青 热解沥青 合成沥青 指标: ①元素组成，以H/C 表示； ②软化点； ③分子量范围大小 沥青：多种芳环缩聚物的混合物；软化点100~200℃，相对分子质量分布很宽，平均相对分子质量在200以上，含碳量大于70% 。 * 通过溶剂使沥青分离成不同组分： 沥青 苯或甲苯抽提 不溶物 喹啉不溶物 α树脂 （高分子树脂） 喹啉溶解 β树脂 （中分子树脂） 可溶物 γ树脂 （低分子树脂） γ树脂:500 β树脂:300~2000 α树脂:2000 * （1）各向同性碳纤维的制作 沥青碳纤维的类型： 通用级碳纤维，各向同性沥青碳纤维； 中间相沥青碳纤维 a.沥青的调制 化学组成 分子量大小和分布 流动性 将原料沥青的杂质微粒(4μm)去除后经加热处理，制成软化点180℃以上的沥青 * b. 熔融纺丝，温度比沥青的软化点高50-150℃，沥青由玻璃态转变为粘流态 c. 稳定化处理，为了保持沥青纤维纺丝在碳化时不熔，必须进行不熔化处理（酸性气体250-400℃） d. 炭化处理，氮气气体保护下在1000-1500℃进行炭化处理，去除H、N等非C元素，结构转变成多晶石墨层片结构 e. 石墨化处理，惰性气体保护下，2500-3000℃进行石墨化处理 * （2）中间相沥青碳纤维的制备 中间相沥青的调制 沥青 喹啉 80~120℃ 除去喹啉不溶物 中间相沥青 300~350 ℃ 脱氢 缩合 纺丝 不熔化处理 碳化 石墨化 * 酸性气体250-400℃ 空气中进行处理275~350℃ * 2.3.3 碳纤维的结构 1）理想的石墨晶体结构 石墨晶体结构与乱层结构图 a—石墨晶体的重叠状态；b—乱层结构的重叠状态 * 2）CF的结构 石墨层片 石墨微晶 （乱层结构） 石墨原纤 （条带结构） 碳纤维 一级结构单元 La20nm 二级结构单元 数张或数十张 三级结构 是宽度约为20 nm，长度为几百纳米的细长条带结构。 微晶之间被无定形结构隔开。 乱层结构； 层片之间的距离较理想晶体大 条带不是笔直沿纤维方向； 条带之间有针形孔隙，孔隙与纤维轴有一定夹角。 * 二维有序的乱层结构； 层片之间的距离较理想晶体大； 石墨微晶尺寸、层片间距d002及石墨化程度γ等与制造过程的热处理温度HTT和时间有关。 石墨化程度计算公式： HTT↑→La↑，Lc↑，d002↓，γ ↑。 石墨微晶与理想石墨晶体的结构差别： * 3）CF结构与性能的关系 （1）热处理温度（HTT）对CF强度和模量的影响 模量升高是因为： HTT↑→La↑Lc↑ →E↑； HTT↑→ d002↓ →E↑； HTT↑(张力) →θ ↓ →E ↑。 HTT升高，模量提高，强度σ会出现峰值。 * σ（强度）有个极值： 一方面，HTT升高，原纤之间或微晶之间的交联键数目增加，并且θ ↓ 、d002↓、导致碳键密度↑→σ↑。 另一方面，HTT升高，使σ↓有如下的原因： ①T↑→微晶尺寸↑→空隙数目↓但空隙尺寸↑→应力集中↑； ②微晶尺寸小时，晶界面积大，裂纹扩展消耗能量大； ③高温牵伸，有可能拉断原纤之间的交联键，削弱晶界之间的结合力； ④皮芯结构的皮和芯的热膨胀系数不同，温度升高，残余应力增大； ⑤高温下碳纤维表面碳的蒸发，引起表面缺陷。 * （2）润湿与粘接 表面处理 （3）PAN原丝本身质量、缺陷影响碳纤维的性能 原丝分子量适中、多分散性小、取向度大； 原丝中空隙、杂质少； 原丝的直径均一 * 2.3.4 碳纤维的性能 1）力学性能 强度高、模量大。 脆性大，