PAN原丝预氧化过程缺陷形成机制的小角X射线散射研究

作     者：邓辉 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹维宇;肖建文

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚丙烯腈纤维 预氧化 缺陷结构 小角X射线散射 时温效应 

摘      要：缺陷结构在很大程度上决定了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的力学性能,其中来自PAN原丝及在预氧化过程中形成的缺陷是碳纤维缺陷结构的主要来源,因此研究预氧化过程中缺陷结构的形成与演变是提升碳纤维力学性能的主要研究工作之一。小角X射线散射（SAXS）技术因为具有制样简便、对样品形态要求低等优点,被采用于对PAN纤维的缺陷结构进行表征,但以往的研究存在缺陷模型多样化,处理方法比较复杂等问题,缺乏统一系统的缺陷结构SAXS研究体系。本论文在经典数据解析方法的基础上建立了预氧化过程中PAN纤维缺陷结构的梭形旋转体模型,进一步完善了 SAXS技术的表征方法和数据解析体系,获得了预氧化时温匹配下的PAN预氧化纤维缺陷结构的孔隙率Φv、回转半径Rg、平均切割长度1v、孔体积V、比表面积S/V和分形维数D,运用这些结构参数从亚微米尺度系统研究了预氧化过程缺陷结构的形成机制。研究结果表明:***预氧化纤维缺陷结构的形成和演变具有温度效应。在预氧化初期,分子链的运动使纤维结晶度上升,造成纤维孔隙率下降,而尺寸较小的缺陷融并为尺寸较大的缺陷,缺陷总体积基本不变,而形状更为规整;之后非晶区开始环化产生新的缺陷,使缺陷的平均尺寸变小,纤维孔隙率上升,同时纤维轴向化学收缩使缺陷总体积下降,缺陷形状变复杂;最后晶区开始氧化和环化,纤维孔隙率上升,缺陷径向尺寸和体积变大,化学收缩使缺陷平均直径保持不变,缺陷形状更为规整。***纤维缺陷结构的发展同时具有时间效应。预氧化温度较低时,非晶区的二次结晶、环化和纤维轴向上的物理和化学收缩使纤维结构不稳定,径向上缺陷尺寸出现小幅增大,体积小幅减小,整体尺寸和孔隙率在很小范围内波动,缺陷表面形状更加复杂;随着预氧化温度的升高,晶区开始氧化和环化反应,化学收缩增加,纤维的孔隙率、缺陷径向尺寸和体积增大,平均尺寸变小,缺陷表面形状更加规整。3.在上述研究结果的基础上,建立了预氧化过程PAN纤维中的缺陷发展模型,初步探明了 PAN原丝预氧化过程的缺陷形成及演变机制。