论文部分内容阅读
沥青基碳纤维是以稠环芳烃和杂环化合物的混合物为原料，经过纺丝、预氧化、碳化、石墨化而形成的一种特种纤维，因其本身具有较高的热传导性和高模量且耐高温从而备受关注，已经成为研发各种复合材料不可或缺的增强体，作为高性能纤维的主要品种之一，碳纤维与环氧树脂、金属以及陶瓷橡胶等材料复合，在军事和民用上都发挥了巨大的作用。
石墨化过程是决定沥青基碳纤维拉伸强度和模量的关键技术[1,2]。现阶段石墨化过程通常是在石墨炉中通过高温加热的方式实现，常用的有等离子炉、塔姆式电阻炉等设备[3]，但由于其加工条件以及耐高温性能的限制，难以实现3000℃以上的超高温连续化加热，不能最大程度地提升沥青基碳纤维的性能，然而可控的激光技术可以用来改善纤维表面结构和性能。因此本文基于沥青基碳纤维本身具有模量高、成本低的特点，通过激光辐照加热来诱导碳纤维完成石墨化过程，使其力学性能得到提高。探究沥青基碳纤维激光石墨化的最优制备工艺以及沥青基碳纤维结构和性能的变化规律。主要工作如下:
分别改变激光石墨化过程中的激光功率、走丝速度、牵伸力及碳纤维直径这4个实验因素制备了多组样品，以不同的制备条件进行激光石墨化处理得到性能不同的沥青基碳纤维。;用拉曼（Raman）、X射线衍射(XRD)对实验样品进行微观表征;用扫描电镜(SEM)进行表面形貌分析;用拉伸实验对样品进行强度模量的计算。研究沥青基碳纤维拉伸强度随温度的变化规律，并分析了石墨化过程中的牵伸力、走丝速度、及碳纤维直径对其性能和微观结构的影响。通过正交试验，对影响碳纤维性能的单因素进行分析，确定满足性能要求的最佳的工艺参数。
结果表明:沥青基碳纤维石墨化能承受的最大激光功率为360W，对应的温度约为3050℃，在此条件下处理得到的碳纤维拉伸强度由1.0GPa提升至2.5GPa，拉伸模量由115GPa上升到315GPa;在碳纤维的承受范围内，其力学性能随着温度、牵伸力的增加而提高;在一定走丝速度范围内，激光辐照时间越长石墨化效果越来越好，之后趋于稳定;直径较小的碳纤维微晶取向度高，力学性能提升更大。通过正交试验表明，选取直径在13μm左右的碳纤维在激光辐照功率为300W、牵伸力为0.294N的情况下获得碳纤维拉伸性能最好。
石墨化过程是决定沥青基碳纤维拉伸强度和模量的关键技术[1,2]。现阶段石墨化过程通常是在石墨炉中通过高温加热的方式实现，常用的有等离子炉、塔姆式电阻炉等设备[3]，但由于其加工条件以及耐高温性能的限制，难以实现3000℃以上的超高温连续化加热，不能最大程度地提升沥青基碳纤维的性能，然而可控的激光技术可以用来改善纤维表面结构和性能。因此本文基于沥青基碳纤维本身具有模量高、成本低的特点，通过激光辐照加热来诱导碳纤维完成石墨化过程，使其力学性能得到提高。探究沥青基碳纤维激光石墨化的最优制备工艺以及沥青基碳纤维结构和性能的变化规律。主要工作如下:
分别改变激光石墨化过程中的激光功率、走丝速度、牵伸力及碳纤维直径这4个实验因素制备了多组样品，以不同的制备条件进行激光石墨化处理得到性能不同的沥青基碳纤维。;用拉曼（Raman）、X射线衍射(XRD)对实验样品进行微观表征;用扫描电镜(SEM)进行表面形貌分析;用拉伸实验对样品进行强度模量的计算。研究沥青基碳纤维拉伸强度随温度的变化规律，并分析了石墨化过程中的牵伸力、走丝速度、及碳纤维直径对其性能和微观结构的影响。通过正交试验，对影响碳纤维性能的单因素进行分析，确定满足性能要求的最佳的工艺参数。
结果表明:沥青基碳纤维石墨化能承受的最大激光功率为360W，对应的温度约为3050℃，在此条件下处理得到的碳纤维拉伸强度由1.0GPa提升至2.5GPa，拉伸模量由115GPa上升到315GPa;在碳纤维的承受范围内，其力学性能随着温度、牵伸力的增加而提高;在一定走丝速度范围内，激光辐照时间越长石墨化效果越来越好，之后趋于稳定;直径较小的碳纤维微晶取向度高，力学性能提升更大。通过正交试验表明，选取直径在13μm左右的碳纤维在激光辐照功率为300W、牵伸力为0.294N的情况下获得碳纤维拉伸性能最好。