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PAN纤维中Fe的高温演变研究刘晖;李常清;靳玉伟;郭雅明;徐樑华【摘要】为了考察Fe对PAN基碳纤维的影响,在凝固成型阶段将Fe引入聚丙烯腈(PAN)初生纤维中,通过后续过程制备含Fe的原丝,经过预氧化、碳化处理后,收取不同阶段的纤维.借助电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、电子探针(EPMA)、力学性能测试、热重分析等手段,表征不同热处理阶段PAN纤维中Fe的含量、微区分布的变化及对碳纤维性能的影响.结果表明,含Fe的PAN原丝经预氧化、低温碳化过程,PAN纤维中Fe的质量未发生改变,当热处理温度达到1450℃后Fe开始损失,经1550℃高温处理后Fe的质量大幅度降低;热处理温度高于1350 ℃后,Fe在PAN纤维的径向逐渐呈现外缘多、内部少的特点,Fe有向纤维外部迁移的趋势;Fe的存在及高温迁移,降低了碳纤维的拉伸强度,影响了碳纤维的热稳定性能.【期刊名称】《北京化工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(037)004【总页数】5页(P48-52)【关键词】PAN纤维;热处理;Fe;微区分布;性能【作者】刘晖;李常清;靳玉伟;郭雅明;徐樑华【作者单位】北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029;吉林石化公司研究院碳纤维研究所,吉林吉林,132021;北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029;北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029;北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029;北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029【正文语种】中文【中图分类】TQ342.31碳纤维的耐高温性能特别是耐烧蚀性能在航空、航天、国防军事等领域得到了广泛的应用,碳纤维的加入可以明显改善复合材料的耐烧蚀性[1]。
在碳纤维制备过程中引入纤维内的金属离子,在高温处理过程中,由于受热环境的影响,一方面在高温过程迁移溢出,在纤维中残留下孔洞,从而产生缺陷,使其力学性能下降;另一方面某些金属有催化石墨化作用,使得碳纤维在较低的温度下发生石墨化,使碳纤维的模量升高,而强度降低[2-4]。
热处理方式对石墨纤维性能的影响刘福杰王浩静范立东(中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室等离子体物理化学应用技术研究中心，西安710119)文摘研究了分步热处理对石墨纤维力学性能及微观结构的影响，并采用R am锄光谱分析了石墨纤维的皮芯结构程度。
结果发现：在相同处理条件下，分步热处理有利于石墨纤维拉伸强度和体密度的提高，而其对弹性模量的影响则较小。
分步热处理所得石墨纤维的表面石墨化程度较低，内部石墨化程度较高，其皮芯结构因子较大，说明其均质性更好一些。
因此，分步热处理有利于提高石墨纤维的致密性和均质性，从而提高其拉伸强度。
关键词石墨纤维，分步热处理，拉伸强度，R a m a Jl光谱，皮芯结构Ef．fect of H eat Tr e a t m e nt St yl e on Pr openi es of G r aphi t e Fi ber s“u Fuj i e W ang H aoj i ng Fan Li dong(Re sea r ch C e nt e r f or P l踮m a Phys i cal C hem i st r y A p pl i ed T bc hni que，St a t e K ey L ab0帕t o r y of T随ns i em0pt i cs明d Phot oni c8，X i’明I nst i t ut e of O pt i cs粕d Pr e ci si on M ech肌i cs，C hi ne∞A cadem y of Sci e nc船，X i’肌710119)A bst髓ct Ef艳c t of t w i ce s t ep heat t re a t m e nt on m echani cal prope rt i e s and m i cr ost l l l ct ur e ofgra phi t e f ibel ls w鹊s t udi ed，a nd t he ski n—co r e deg r ee of孕．aph i t e f i be璐w鹊a nal ysed by R a m a n spec t I_；0scopy．T he r e sul t s f ound山at t诮ce s t ephea t t re a t m ent c ont ri but ed t o i nc re a si ng t he t e nsi l e st I．e ngtI l and vol um e dens i t y of graphi t e f i ber s，bu t s how ed l e ss ef f ect on t e nsi l e m odu l us of gra phi t e6ber s．Fr om t he r esu l t s of R am粕spect r oscopy，w e f ou nd t h at t he s ur f如e gr aphi t i一船t j on degree w a s l ow er，t he i nner gra phi￡i zat i on degree w a s hi gher and t he s ki n-c ore gene w a s I戤．g er by t’I，i ce s t ep he a t t r．ea t m e nt，w hi c h m ea nt t ll at gra phi t e f i b er w酗m or e hom og eneous．T访ce st e p heat n_eat I I l en t w鹊good f or i nr ea si ng com pac t nes s a11d hom ogene ous ne s s of铲叩hi t i ze fi be rs，w hi c h w嬲t he r ea s o n f or t e nsi l e sh-engt h i ncr e鹪i ng．K ey w o州Is G raphi te fi bers，T诅ce st e p heat t r eat nl e nt，T ensi l e s t ren昏h，R am an spec t r os copy，Ski n—c or e s t m ct ur eO引言热处理是提高石墨纤维力学性能特别是弹性模量的途径之一。
石墨纤维
一、简介
石墨纤维是一种具有优异物理和化学性质的纤维材料，它是由石墨结晶经过一
系列加工处理制成的。
石墨纤维具有高强度、高导热性、低密度和耐高温等特点，因此在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有广泛的应用。
二、制备方法
石墨纤维的制备方法主要包括气相沉积法、机械拉伸法和化学气相沉积法。
气
相沉积法是采用石墨的蒸发沉积形成纤维状结构，机械拉伸法则是通过拉伸石墨结晶获得纤维，而化学气相沉积法则是在气相中使石墨微晶沉积成石墨纤维。
三、应用领域
石墨纤维在航空航天领域中被广泛应用，用作制造航天器的外壳材料、隔热材
料等。
在汽车制造领域，石墨纤维被用于制造轻量化结构，提高汽车的性能和燃油经济性。
此外，在电子设备领域，石墨纤维可用于制造散热模块、电磁屏蔽材料等。
四、未来发展
随着科技的不断进步，石墨纤维的品质不断提高，应用领域也在不断扩展。
未来，石墨纤维有望在新能源、医疗器械等领域发挥更为重要的作用。
五、结论
石墨纤维作为一种优异的纤维材料，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断完善，相信石墨纤维将在未来发挥更为重要的作用，为各个领域的发展做出贡献。
细纱机牵伸分配对纱线性能影响研究作者：赵旋，常涛来源：《轻纺工业与技术》 2015年第3期赵旋，常涛（济南工程职业技术学院，山东济南２５０２００）【摘要】研究细纱机在不同牵伸分配下对纱线性能的影响。
实验测试了不同细纱机牵伸分配所纺纱线的条干、强力变化，分析了细纱机后区牵伸倍数对成纱质量的影响。
【关键词】细纱机；牵伸分配；牵伸倍数Doi：10.3969/j.issn.2095-0101.2015.03.005中图分类号： TS104.1+4 文献标识码： A 文章编号： 2095-0101（2015）03-0015-03收稿日期：２０１５-０４-２１基金项目：本论文为济南工程职业技术学院２０１４年大学生科技创新项目（７０）阶段性研究成果。
作者简介：赵旋，女，济南工程职业技术学院工业设计与贸易系在读本科学生，研究方向：现代纺织技术。
在纺纱工艺中，细纱工序是纺纱的最后一道工序，在细纱机上加强和改善牵伸过程中对纤维的有效控制，降低纺纱过程中产生的附加不匀，对提高成纱质量有相当重要的作用。
因此，细纱机牵伸分配是否合理十分关键。
如下通过不同牵伸分配实验并测定纱线的条干均匀度、强力的影响，从而得到最优牵伸分配。
１牵伸分配在纺纱中把纤维集合体（如条子、粗纱等）有规律地牵长变细，是梳理以后进一步松解和集合的过程。
散状纤维原料加工成纤维层或条子，再成为粗纱、细纱，必须经过逐步变细的过程，所以几乎每种纺纱的主要机器或工序都有牵伸作用。
在这些机器中，通常用一对称为罗拉的圆柱形机件相互压紧握持喂入的半制品，当罗拉回转时，制品即被喂入。
在机器的前端，另有一对输出罗拉将加工后的产品输出。
设喂入和输出罗拉的表面速度分别为Ｖ２与Ｖ１（且Ｖ１＞Ｖ２），相应纤维制品单位长度的重量分别为Ｗ２和Ｗ１，如果不考虑纤维的散落，则有Ｖ１Ｗ１＝Ｖ２Ｗ２，或Ｖ１/Ｖ２＝Ｗ２/Ｗ１＝Ｅ，Ｅ称为牵伸倍数，简称牵伸。
Ｖ１和Ｖ２从机械传动求得，Ｖ１ /Ｖ２称为机械牵伸，Ｗ１和Ｗ２可以用实际称重求得，Ｗ２ /Ｗ１称为实际牵伸。
收稿日期:2006207203; 修回日期:2006208206 基金项目:国家部委重点基金(614002) 通讯作者:王浩静,Tel:+862035124120399,E 2m ail:hj w ang @sxicc .ac .cn 作者简介:薛林兵(1981-),男,山西运城人,硕士研究生,主要从事高模量炭纤维的研究和制备。
E 2m ail:xuelinb @sxicc .ac .cn文章编号: 100728827(2006)0320243205牵伸石墨化对石墨纤维结构和力学性能的影响薛林兵1,2, 王浩静1, 李东风1(1.中国科学院山西煤炭化学研究所中国科学院炭材料重点实验室,山西太原 030001;2.中国科学院研究生院,北京 100039)摘 要: 借助XRD 和力学测试研究了不同石墨化温度下牵伸率(0%～2.5%)对PAN 基石墨纤维结构和力学性能的影响。
结果表明:在2400℃、2700℃和3000℃石墨化温度下,分别采用1.25%,1.50%和2.20%的牵伸率,可获得的抗拉强度最大值相应为3.1G Pa 、2.55G Pa 和2.25G Pa 。
在相同的石墨化温度下与未牵伸的样品相比,抗拉强度提高了10%～20%。
弹性模量亦随牵伸率的增大而增加,在牵伸率为2.50%时,弹性模量上升15%。
同时,石墨微晶尺寸L c (3.612nm ～7.094nm )和L a (12.909nm ～24.400nm )及取向度逐渐增大,而d 002(0.3465nm ～0.3418nm )逐渐减小。
微观结构的改善是石墨纤维抗拉强度和弹性模量提高的主要原因。
关键词: 炭纤维;石墨化;热牵伸;力学性能;微观结构中图分类号: TQ 342+.742 文献标识码: A1 前言 聚丙烯腈基炭纤维(PAN 2C F )具有高比强度、高比模量、低密度、低膨胀、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、耐疲劳、自润滑、导热、导电等一系列优异性能,作为增强材料被广泛应用于航天、航空等民用领域,引起了人们普遍的关注[127]。
石墨纤维的特性及应用石墨纤维是由石墨微晶聚合而成的纤维材料，具有轻质、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等特性，因此在许多领域有广泛的应用。
下面将详细介绍石墨纤维的特性及应用。
首先，石墨纤维具有轻质特性。
其比重为1.6-2.0g/cm³，相比于钢铁的比重为7.85g/cm³，石墨纤维的比重更轻，能有效减轻结构载荷，降低系统能耗。
其次，石墨纤维具有高强度和高模量特性。
其强度通常为3000-4000 MPa，模量为170-220 GPa，比普通钢材的强度和模量高，使得石墨纤维在结构材料中能够承受更大的载荷，同时也能够降低结构的重量。
第三，石墨纤维具有良好的耐高温性能。
它的熔点约为4000，加热至2000时仍然能够保持足够的强度和刚度，不发生融化和软化。
因此，石墨纤维在高温环境下能够应用于航空、航天、核能等领域。
第四，石墨纤维具有良好的耐腐蚀性。
它对酸、碱、溶剂等化学物质具有较高的抗腐蚀能力，不易受到腐蚀损害。
这使得石墨纤维在化工、环保、海洋等领域中能够应用于具有强腐蚀性的环境中。
石墨纤维的应用也非常广泛。
首先，在航空航天领域，石墨纤维被广泛应用于制造飞机、导弹、卫星等高性能结构材料中。
它具有轻质高强度的特点，能够减轻飞行器重量，提高载荷能力和燃料效率。
其次，在能源领域，石墨纤维被应用于制造太阳能电池反射镜、核电厂保温材料等。
石墨纤维能够抵抗高温和辐射，提高能源装置的效率和安全性。
再次，在交通运输领域，石墨纤维被应用于汽车制造、船舶制造等领域。
它的轻质、高强度和耐腐蚀性能使得汽车和船舶能够减轻重量，提高燃料效率和运输能力。
此外，石墨纤维还被应用于体育器材、电子产品、建筑材料等领域。
例如，石墨纤维可以用于制造高尔夫球杆、网球拍等体育器材，提高球杆的强度和稳定性；在建筑领域，石墨纤维可以用于制造钢结构、混凝土等材料，提高建筑物的抗震性能和耐久性。
总结起来，石墨纤维具有轻质、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、能源、交通运输、建筑、体育器材等领域。
第38卷第10期2010年10月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICA L M A T ERIA LS Vo l .38No .10·67·科学研究基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB605302)作者简介:靳玉伟(1970-),女,博士后,副教授,主要从事PAN 基碳纤维的研究。
联系人:徐樑华,教授,博士生导师。
牵伸对石墨纤维结构和力学性能的影响靳玉伟 高爱君 刘钟铃 徐翊桄 徐樑华＊(北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029)摘 要 以一种典型国产碳纤维为原材料,借助XRD 、密度梯度仪和力学测试研究了不同石墨化温度2100℃、2300℃下,不同的牵伸率对聚丙烯腈基(PA N )石墨纤维结构和力学性能的影响。
结果表明:在一定的石墨化温度下,随着牵伸率的增大,碳纤维的体密度、弹性模量和抗拉强度均增大。
同时,石墨微晶尺寸(L c 、La )与取向度均随其热牵伸比的增加而增大。
此外,在同一牵伸比条件下,随热处理温度的升高,弹性模量增加,抗拉强度下降,石墨微晶尺寸(Lc 、La )与取向度均随热处理温度的升高而增大。
关键词 石墨纤维,热牵伸,微观结构参数,力学性能The change of performance u nder high temperature heat treatmentin PAN -based graphite fibersJin Yuwei Gao Aijun Liu Zhongling Xu Yiguang Xu Lianghua(Key Labo rato ry of Carbo n Fibre and Functional Polyme r ,Ministry o f Educatio n ;Schoo l of M aterials Science and Techno logy ,Beijing University of Chemical Technolo gy ,Beijing 100029)A bstract T he influence o f stretching r atio o n micro structure and mechanical pr ope rties o f P AN -based g raphite fi -ber s w as inve stigated by X RD and mecha nical test under g raphitiza tion temper atures of 2100℃and 2300℃.Results show ed that the v olume de nsity 、the tensile streng th and elasticity modulus of the g raphite fibers all increased with stretching ra tio at the diffe rent tempera tur es inv estiga ted .A t the same time ,the cry stallite o rientatio n deg ree and the cry stallite size (L a 、Lc )of the g raphite fibers all were increa sed w ith the stretching ra tio .W ith the incr easing of the g ra phite fiber s 'heat -t rea -ted tempe rature ,the tensile st reng th almo st decreased linearly ,the Young 's mo dulus almost increased linear ly ,the cry s -ta llite orientatio n degree and the cry stallite size (La 、Lc )o f the gr aphite fibe rs all were incr eased with the hea t -treated tem -pera tur e unde r ce rtain stre tching a nd dw ell time .Key words g raphite fibe r ,ho t stretching ,micro structure ,mechanical property 碳纤维由于其质轻、高强、高模、耐烧蚀等优异的性能,作为烧蚀材料、结构材料等在航空、航天等国防高科技领域得到广泛应用[1-5]。
近年来,随着对材料性能要求的不断提高,高模量碳纤维已引起了世界各国的普遍重视,成为研制的热点[6-9]。
由于在高温石墨化处理过程中,不加牵伸会引起碳纤维抗拉强度的下降,如果在石墨化工艺过程中施加牵伸,它不仅能改善碳纤维的抗拉强度,且有利于提高碳纤维的抗拉模量,而且热处理温度愈高,此影响愈明显[10]。
因此在石墨化温度下对碳纤维进行牵伸的研究愈来愈受到人们的重视。
本方法采用自制连续石墨化实验平台,聚丙烯腈基(PA N )碳纤维经过脱胶、炭化、石墨化和收丝等工序,制备高模量碳纤维。
重点探讨热牵伸工艺对PA N 基碳纤维微观结构、体密度和力学性能的影响。
1 实验部分1.1 样品的制备选用一种典型国产PA N 基碳纤维G CF (1K )为原材料,采用自制连续化石墨化炉,在N 2气保护下实施高温(2100℃、2300℃)热处理,走丝速度一定,通过调整牵引电机的频率施加不同的张力进行热牵伸(热牵伸比为-0.5%、0%、1%、1.5%),炭化,石墨化,制得不同性能的高模量P AN 基石墨纤维。
化工新型材料第38卷1.2 微晶参数的测定采用荷兰帕纳科X ′P ert P RO M PD 多功能X 射线衍射分析仪(X RD )对纤维进行赤道、子午和方位角扫描。
测试条件:CuK α辐射(λ=0.1540598nm ),管压40kV ,管流40m A ,仪器用硅进行校正。
石墨微晶堆砌厚度(Lc )通过赤道扫描图中的(002)峰计算,石墨微晶沿纤维轴方向的基面宽度(La )通过子午扫描中的(100)峰计算,而取向度π则通过(002)峰的方位角扫描图来计算。
计算公式如下: L hkl =K λβcos θ(Scherr er 公式)π%=180-H 180×100%(1)式中,L hkl 是垂直于(hkl )晶面的平均微晶尺寸,θ为散射角,λ为X 射线的波长(λ=0.1540598nm ),K 为形状因子,计算Lc 时取0.9,La 时K 取1.84[7],β为样品衍射峰的半高宽,H 为方位角扫描中峰的半高宽。
1.3 体密度的测定采用L LO YD 公司的密度梯度管,利用悬浮原理测定碳纤维的体密度。
密度梯度管里面盛有由二溴乙烷和四氯化碳混合物组成的具有密度梯度的溶液,密度梯度管置于(25±1)℃水浴中。
管中不同位置的密度通过数个已知密度(精确至0.0001g /mL )的玻璃球标定,根据玻璃球位置和其密度做出刻度-密度标准曲线。
将纤维打成结,放入密度柱中,确保每个样品之间没有缠结在一起,静置4h 后,读取纤维所在位置,代入刻度-密度标准曲线,便可得出纤维的密度。
1.4 力学性能的测定(强度、模量)将PA N 基碳纤维制成标距20cm 的束丝样条,采用岛津(SH U M A DZ U )公司A G -1S (1K N )型电子纤维强力仪测定PA N 基碳纤维的拉伸-形变曲线,并计算出石墨纤维的抗拉强度、弹性模量等。
拉伸速率为20mm /min ,每个样品测8次取平均值。
2 结果与讨论2.1 牵伸对PAN 基碳纤维体密度的影响图1是不同温度下牵伸率对PA N 基碳纤维体密度的影响。
如图所示,在高温石墨化过程中,随着热牵伸率的增加,两种不同温度下的碳纤维的体密度都略有增加;随着热处理温度的提高,碳纤维的体密度增大且增加幅度比较大。
产生这种现象的可能原因是在高温和牵伸力作用下,产生的塑性形变有利于石墨微晶的转位重排,择优取向得到提高,微晶排列越紧凑,有利于碳纤维体密度的提高;同时牵伸张力给予位图1 不同温度下牵伸率对PA N 基碳纤维体密度的影响错运动以必须的外力,从而有利于结构位错和堆叠位错的消失,位错消失则有利于碳纤维体密度的提高。
2.2 牵伸对PAN基碳纤维力学性能的影响图2 不同温度下牵伸率对P A N 基碳纤维力学性能的影响(a -抗拉模量;b -抗拉强度)图2是不同石墨化温度下牵伸率对P A N 基碳纤维力学性能的影响。
可以看出,随着热牵伸和热处理温度的增加,PA N 基碳纤维的力学性能(抗拉模量和抗拉强度)得到了明显的改善,这主要是热牵伸和热处理温度改善了碳纤维的微观结构。
从图2(a )热牵伸对抗拉模量的影响可以看出,在同一石墨化温度下,随着牵伸率的增大,弹性模量随之增大,在2100℃和2300℃下模量最大增幅分别为11.78%和10.80%。
对比不同的热处理温度,发现通过施加一定的牵伸力,能在温度较低时达到较高热处理温度所达到的弹性模量;在相同的牵伸条件下,随着热处理温度升高弹性模量上升。
这是因为在一定的温度和应力下,材料随时间变化产生塑性形变的现象称为蠕变。
碳材料通常在2000℃以上产生塑性变形。
P A N 纤维是一种线性分子,经1000～1500℃炭化后的PA N 基碳纤维中存在大量互相交织和皱折的石墨微晶条带,这些微晶条带在1800℃以上高温牵伸热处理过程中会产生塑性形变(蠕变),这种塑性形变能够消除和转移微纤之间的交联,从而使其解皱和解结,并在纤维的牵伸方向形成对纤维轴的择优取向,使碳纤维的抗拉模量提高。
从图2(b )热牵伸对抗拉强度的影响可以看出,在同一石墨化温度下,随着牵伸率的增大,抗拉强度的总体趋势是逐渐上升的,在2100℃和2300℃下,强度最大增幅分别为9.18%和17.2%;在高温下,随着热处理温度的升高,抗拉强度呈下降趋势。
这说明:在同一石墨化温度条件下,适当的牵伸有利于提高碳纤维的抗拉强度,因为牵伸可适当增加碳纤维的晶格参数,从而提高碳纤维的石墨化程度;石墨化温度越高,抗拉强度则下降,说明在石墨化处理过程中,PA N 基碳纤维中的氮气、小分子气体等逸出时可能会发生膨胀,留下孔洞等缺陷,进而使抗拉强度下降。
综合热牵伸对碳纤维抗拉强度和弹性模量的影响,在同一石墨化温度下,施加牵伸不仅可以提高碳纤维的弹性模量,还可以提高其抗拉强度,这样,在较低的温度下能够得到高模量碳纤维,避免过高石墨化温度下,碳纤维抗拉强度出现下降的现象。
