碳纤维微晶结构的形成与生长

碳纤维的微晶结构是影响其性能的决定性因素,本论文采用广角X-射线衍射法研究了聚丙烯腈预氧纤维在碳化阶段中微晶结构的形成、生长与转变过程。研究结果表明:在1000℃以下,经预氧化反应形成的不连续多环芳香平面结构沿平行于纤维轴的方向堆积并逐渐靠近,形成类似于晶核的微晶结构生长中心,表现为类石墨片层间距的减小而晶粒增长缓慢;当温度高于1000℃时,晶粒的生长速度明显加快,形成三维有序的微晶结构;在温度高于1500℃的石墨化阶段,类石墨微晶结构进行重排,晶粒尺寸迅速增加。根据这一规律,可以通过控制晶核生成和晶粒生长速度的匹配,进行碳纤维的结构设计和调控。     

碳纤维微观结构表征方法

碳纤维作为高性能纤维的一种,是先进复合材料最重要的增强材料,碳纤维的微观结构是决定其性能的主要因素。综述了碳纤维微观结构的表征方法,主要包括表面形貌、形态结构、化学结构、晶态结构和孔结构。碳纤维表面形貌表征主要通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM);形态结构主要采用透射电镜(TEM)来表征;化学结构表征主要依靠拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS);晶态结构和孔结构分别采用广角X射线衍射(WXRD)和小角X射线散射(SAXS)来分析,这为研究分析如何得到高性能碳纤维提供了参考。     

碳纤维中的单层石墨物相及其对力学性能的影响

依据碳纤维中各种物相的X射线衍射特性, 确认PAN基碳纤维中除了乱层石墨微晶外, 还存在大量的单层六元环C原子层面物相, 建立起两种非完整结晶物相的定量分析方法. 实验结果表明, 随着退火温度由1350 ℃上升到2400 ℃, Tx-3高强型碳纤维中的单层石墨含量由59.6%下降到34.8%, 乱层石墨含量由40.4%上升为65.2%. 与此同时, 碳纤维的拉伸强度则由3.65 GPa下降到2.05 GPa, 而延伸率也由1.04%下降到0.58%. 并对PAN基碳纤维中单层石墨对其力学性能的影响也进行了初步的探讨.     

竹节状纳米碳纤维的制备及嵌锂性能研究

以泡沫镍为催化剂,在600和700℃下,以CVD法热解乙炔气体制备大量的纳米碳纤维.随着制备温度增加,纳米碳纤维直径变小,竹节状含量减少, d002值减小,微晶片层平面Lc和La值增大,碳材料的可逆容量则下降.分别用透射电镜、 X射线衍射和拉曼光谱观察和测定了纳米碳纤维的形貌、微结构,发现在不同条件下生长的纳米碳纤维有不同的形貌和结构.对纳米碳纤维的电化学嵌锂性能的研究表明,纳米碳纤维的结构对其电化学嵌锂容量和充放电循环寿命起重要影响,制备温度越低,纳米碳纤维的石墨化程度越差,可逆嵌锂容量相应要高一些.     

升温速率对聚酰胺酸/聚丙烯腈基碳纤维结构的影响

采用聚酰胺酸/聚丙烯腈(PAA/PAN)为原材料制备共混前驱体,经热处理完成PAA的亚胺化和PAN的预氧化,再以一定的升温速率升温至1200℃,得到新型共混基碳纤维,采用SEM、Raman、XRD、EA等方法研究了不同的升温速率对PAA/PAN基碳纤维碳化结构的影响.结果表明,碳纤维表面沿纤维轴方向有少量的沟槽,这是湿法纺丝工艺造成的.1200℃的高温处理使碳元素富集,最终制得碳含量高于92%的碳纤维.随着碳化升温速率的增大,碳收率也在增大,最大碳收率达52.36%.碳纤维的石墨化程度和微晶尺寸随着碳化升温速率的提高均呈现先增大后减小的趋势,当升温速率为8 K/min时,所得纤维的碳化结构最为理想,微晶堆叠厚度达到1.445 nm,g(A_G/A_D)值达到0.52,此条件下,纤维的碳元素含量也达到了94.13%,电阻率最小.     

进口中间相沥青碳纤维超高温石墨化处理后的特性分析

对P25、P55及XN-90三种进口中间相沥青碳纤维3000℃石墨化处理前后的微观形貌、晶体尺寸、力学性能、导电导热性能及其抗氧化性能进行了表征.结果 表明,三种碳纤维微观结构差异较大,均呈现出较为明显的"指纹"特征.三种碳纤维中XN-90热处理温度最高,晶体尺寸最大,石墨化程度最高,抗氧化性能最好.经过3000℃石墨...     

两种T700碳纤维的微观结构与性能研究

采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对国产JHT45-T700和日本东丽T700两种碳纤维的硬度相对大小、表面和断面形貌、石墨化程度和微晶结构进行了表征,分析了其中的差异。结果表明,东丽T700微区硬度大于国产JHT45-T700;国产JHT45-T700表面存在大量沟槽,而东丽T700表面光滑。因此,国产JHT45-T700与树脂基体的浸润性优于东丽T700。Raman与XRD分析表明,东丽T700石墨化程度、微晶尺寸和结构的有序程度均高于国产JHT45-T700;TEM显示,东丽T700晶格条纹比国产JHT45-T700更规整些,晶相较多,石墨微晶发育相对更完善。     

空心活性碳纤维SNACF的织构和表面化学结构的研究

本工作借助透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射、X-射线光电子能谱(XPS)、红外光谱和化学滴定等技术,研究了空心活性碳纤维SNAGF的织构和表面化学结构特征。实验结果表明,SNAGF具有多孔性微晶碳结构,其表面存在着碱性官能团和羧基、酚基等酸性官能团及高氧态硫(如磺酸及砜基类等)官能团。     

高取向度碳纤维原丝制备工艺研究进展

碳纤维原丝的性能好坏在很大程度上决定着碳纤维的最终性能。缺陷少、细旦化、高取向、高纯化等是高性能原丝的基本要求。其中原丝的取向度在很大程度上决定了碳纤维在预氧化、碳化过程中形成的类石墨片层的取向结构，这会影响碳纤维最终的强度和模量，所以制备出高取向的碳纤维原丝具有重大意义。本文聚焦于高取向碳纤维原丝制备工艺，首先分析了高取向原丝的重要性，然后在原丝制备工艺上将纺丝方法以及牵伸工艺对取向度的影响进行总结分析，同时介绍了微积分纳米层叠法和高取向复合纤维原丝的制备工艺，指出优质的初生纤维以及具有稳定化取向排列的原丝是制备高取向碳纤维原丝的关键，以期对提升原丝的取向度进而提升碳纤维性能的研究有所贡献。     

微晶碳电活化过程中离子尺寸效应研究

以石油焦基微晶碳作为电极材料,并由N2吸附,X射线衍射(XRD)表征其孔结构和微晶结构.研究了4种电解液Et4NBF4/PC(四乙基铵四氟硼酸盐/碳酸丙烯酯)、Et4NBF4/AN(四乙基铵四氟硼酸盐/乙腈)、Bu4NBF4/PC(四丁基铵四氟硼酸盐/碳酸丙烯酯)和Bu4NBF4/AN(四丁基铵四氟硼酸盐/乙腈)的微晶碳电容器特性.结果表明:电解质离子与溶剂AN的溶剂化半径较小,容易嵌入类石墨微晶碳层,其于AN的电活化电位比在PC中的低,致使电活化程度更深,材料的表面利用率更高,电容量较大.电解质阳离子(Et4N+,Bu4N+)大小对电活化影响不大.电活化使材料类石墨微晶层间距(d002)变大,离子尺寸越大,层间距增加越明显.     

High-modulus polydiacetylene single-crystal fibers

The relationship between structure and mechanical properties of polydiactetylene single-crystal fibers has been studied in detail. It is shown by transmission electron microscopy that the fibers have a high degree of internal perfection, with the polymer molecules aligned parallel to the fiber axes. The fibers of the dicarbazolyl derivative investigated were found to have a Young's modulus of 45 GPa and fracture strengths of up to 1.5 GPa, the strengths being controlled by defects such as surface steps. It is shown that the stiffness of the polymer backbone is similar to that of polyethylene, and the theoretical strength of the polydiacetylene singlecrystal fibers is determined to be about 3 GPa, corresponding to a fracture strain of between 6 and 8% and a force required to break molecules to the order of 3 nN. The derivative studied is also found to have good thermal stability, not degrading below 300°C, and excellent creep resistance up to at least 100°C. The possibility of using the single-crystal fibers in composites is also discussed.     

Porous Structure of Activated Carbon Fibers

The dependence of the microporous structure of activated carbon fibers on the carbonization temperature of hydrate-cellulose fibers was studied by BET, TVFMP, and Horvath and Kawazoe techniques and methods of the nonlocal density functional theory. The surface energy distribution function was obtained, together with the micropore size distribution curves. It was shown that the effective micropore sizes calculated by the TVFMP method are close to the maximum of the distribution function found in terms of the theory of the density functional.     

PAN基活性炭纤维的氮吸附

通过对不同活化方法制备相同原料聚丙烯腈基活性炭纤维进行氮吸附研究,结果表明由不同活化方法所制备的活性炭纤维的孔结构存在较大差异,并对随着活化程度的改变其孔结构的发展进行了研究.结果表明通过简单的改变活化方法即可以制得不同孔隙占主导地位的的炭质吸附剂,由此也预示着对于不同的活化方法其活化机理的差别.     

沥青基碳纤维表面复合处理的研究

研究了硝权氧化和硝酸－钛酸酯复合对沥青基碳纤维（Ｃ－１２）进行表面处理的影响。利用富里衰转换红外光谱扫描、接触角测定及Ｘ－射触角测定及Ｘ－射线衍射等手段,对表面处理各阶段碳纤维的性能与结构进行表征。复合处理与砂酸氧化的机理与效果不同,红外光谱中有新峰出现,纤维表面极性与浸润性发生了变化,认为复合处理方法将有利于拓宽碳纤维的应用范围。     

破碎-絮凝法分离细长碳纳米管与碳纤维

根据碳纤维与细长碳纳米管耐磨性能与絮凝沉降性能的差异，提出了一种有效分离细长碳纳米管与碳纤维的物理方法——破碎-絮凝法.该方法包括研磨破碎、液相分散、絮凝沉降、过滤分离等步骤，可高效去除混杂于细长碳纳米管样品中的碳纤维，同时还可去除螺旋状碳纤维及细小碳颗粒等易悬浮杂质.纯化过程对细长碳纳米管无损伤.用电子显微镜和热重分析表征了纯化效果，并初步分析了纯化机理.     

碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展

碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略了另一相的改性。本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成果,综述了国内外相关研究进展。从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的协同效应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。     

酚醛基活性碳纤维双电层电化学电容器的研究

利用KOH活化制得了酚醛基活性碳纤维(ACF).研磨后形成细颗粒酚醛基活性碳纤维材料(P-ACF).对比研究P-ACF与ACF在6 mol·L-1 KOH溶液中的电化学性能,结果表明:P-ACF电极表现出更佳的电容性质,比电容达200 F·g-1,大电流放电比电容衰减速率较慢,其微孔离子迁移电阻(Rp,2.96Ω)较ACF的(4.65Ω)小.研磨可增加ACF的断面暴露量,降低纤维间接触电阻和微孔内离子迁移电阻.     

Multicomponent Adsorption of Pesticides onto Activated Carbon Fibers

The adsorption equilibria of pesticides and metabolites (atrazine, deethylatrazine, deisopropylatrazine and simazine) are studied onto activated carbon fibers –ACF– with a broad pore size distribution (32% mesopore volume, 68% micropore volume). Mono-and multi-component isotherms have been determined for low concentrations, from 0.23×10⁻⁶ to 9.52×10⁻⁶ mol L⁻¹. Single solute isotherms, modeled by Freundlich and Langmuir models, tend to prove the influence of the adsorbate's solubility in the adsorption capacity of activated carbon fibers. Binary solute isotherms confirm the strong influence of pesticide solubility on the competitive adsorption mechanism: the competition is higher in the case of adsorbates of different solubilities (atrazine and DEA or DIA for example). Multicomponent experimental data were modeled by extended Langmuir-based equations and the Ideal Adsorbed Solution theory. Whereas the first ones failed to model accurately binary adsorption due to restrictive hypothesis, the IAS model showed a good agreement between experimental and predicted data. It emphasised also the difficulty in satisfying the hypothesis of the model in the case of highly adsorbed compounds. Finally, the simultaneous adsorption of atrazine and NOM (in a natural water, DOC = 18.2 mg L⁻¹) shows no adsorption competition effects between natural organic matter and atrazine. This is due to the presence of secondary micropores (0.8–2 nm) and mesopores in the ACF, which limit a pore blockage phenomenon by NOM.