碳纤维激光石墨化处理研究

论文摘要

聚丙烯腈基碳纤维由于其高性能被广泛应用于航空航天等领域,然而目前碳纤维的制备成本依然很高,限制了其应用的平民化。聚丙烯腈基碳纤维的高成本来源于两部分,一是聚丙烯腈前驱体,二是复杂制备过程中的设备投入和高能耗。若需制备高模量碳纤维,所需石墨化的能耗尤其高,这主要是由于石墨化温度很高通常要加热到2000℃以上。而传统的石墨化炉是通过石墨管电阻热间接热处理碳纤维,所加热的空间范围远远大于碳纤维束体积,能量利用率低。此外,石墨化炉的炉体结构复杂,升温速率慢等都增加了石墨纤维的制备成本。而激光作为一种强有力的工具其能量集中,升温速率快并且对炉体保温材料也没有特殊要求,非常适合于碳纤维的高温石墨化。因此,本课题创新性地提出利用激光对碳纤维进行石墨化处理。通过实验验证了激光石墨化的可行性并不断设计改进实现了碳纤维的连续激光石墨化。此外,本论文研究了激光工艺参数对碳纤维不同尺度的结构的影响并揭示了激光石墨化的机理,研究结果表明:1.Raman光谱结果揭示了不同激光功率密度下所得碳纤维的化学结构变化规律。随着功率密度的增加,D峰和G峰逐渐分峰并且D峰峰强相对于G峰逐渐下降,石墨化程度逐渐增大。此外,石墨化程度AD/AG值在纤维直径上分布的皮芯差异也随功率密度的增大逐渐增大。2.WAXD研究揭示了激光功率密度对碳纤维的结晶结构的影响规律。由于二氧化碳激光主要产生的是光热效应与传统石墨化炉一样起到加热的效果。所以碳纤维的结晶尺寸和取向都随着功率密度的增大有所改善。然而晶粒沿纤维轴方向的尺寸增大趋势并不明显,这主要是由于激光能量快速输入的特点使得碳纤维表层的石墨片层发生剥离。3.SEM和HRTEM观察到了激光石墨化后碳纤维的表面形貌以及从表面剥离的片状结构。随着激光功率密度的增大,表面剥离的片状结构的厚度增加并逐渐转变为粒状结构。片状结构的本质是纳米尺度的石墨片并通过无定形碳与纤维本体连接。4.利用激光快速加热以及时间尺度高度可控的特点进行了碳纤维激光石墨化动力学的研究。随着激光功率密度的增加,不仅提高了碳纤维的石墨化程度而且大幅减小了碳纤维达到最终石墨化程度所需时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 碳纤维简介
•   1.2 基于低成本前驱体的低成本碳纤维
•     1.2.1 低成本聚丙烯腈基碳纤维
•       1.2.1.1 纺织品级聚丙烯腈原丝
•       1.2.1.2 可熔融聚丙烯腈原丝
•     1.2.2 木质素基原丝
•     1.2.3 聚乙烯基原丝
•   1.3 基于先进加工技术制备低成本碳纤维
•     1.3.1 等离子体辅助预氧化和碳化
•     1.3.2 微波碳化
•     1.3.3 电子束辐照预氧化
•     1.3.4 紫外辐照预氧化
•     1.3.5 激光诱导预氧化碳化
•   1.4 课题的提出和主要研究内容
• 第二章 实验部分
•   2.1 激光石墨化平台的搭建
•     2.1.1 激光器的选用
•     2.1.2 可行性验证
•     2.1.3 第二代连续激光碳纤维石墨化装置
•     2.1.4 第三代连续激光碳纤维石墨化装置
•     2.1.5 连续碳纤维激光石墨化中试装置
•   2.2 样品及测试方法
•     2.2.1 Raman光谱测试
•     2.2.2 X射线光电子能谱（XPS）
•     2.2.3 广角X射线衍射（WAXD）
•     2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）
•     2.2.5 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
•     2.2.6 场发射电子束/聚焦离子束双束系统（SEM/FIB Crossbeam System）
•     2.2.7 金相抛光机
•     2.2.8 单丝拉伸测试
• 第三章 结果与讨论
•   3.1 激光石墨化过程中化学结构的研究
•   3.2 激光石墨化过程中结晶结构的研究
•   3.3 激光石墨化过程中表面结构的研究
•   3.4 激光石墨化过程中力学性能的演变
•   3.5 碳纤维激光石墨化的动力学研究
•   3.6 激光石墨化过程分子动力学模拟
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表学术论文
• 作者及导师简介
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 沙扬

导师: 曹维宇

关键词: 聚丙烯腈基碳纤维,激光石墨化,石墨化动力学,多尺度结构

来源: 北京化工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,有机化工,无线电电子学

单位: 北京化工大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: TQ342.743;TN249

DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.001504

总页数: 81

文件大小: 8964K

下载量: 30