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高性能沥青基碳纤维的常见结构

2023-05-08 09:3914650
 高性能沥青基碳纤维通过中间相沥青制备而来,因为中间相沥青的各向异性,在纺丝过程中,分子的不同排列组合,可以制备出不同结构的沥青基碳纤维。根据研究发现,中间相沥青基碳纤维的断面结构主要可以分为:辐射结构、洋葱皮结构、乱层结构、叠层结构和放射型结构。其微观结构模型主要如下:

 

结构分类

辐射结构

 

辐射结构是高性能沥青基碳纤维最常见的结构之一,这种纤维的石墨片层组织,从圆心纵向排列向四周辐射开来。一般认为这种结构的纤维,在热处理阶段容易产生劈裂,所以此类型纤维结构,拉伸强度偏低,但是这种结构石墨微晶容易长大,更容易制备超高模量和导热的纤维。

洋葱皮结构

 

这类纤维结构,像洋葱结构一样,外层包围内层,一层一层向中心集中。此类结构,一般就要较高的强度。

乱层结构(无规结构)

 

乱层结构也称无规结构。一般认为乱层结构,高温处理时,不宜产生劈裂,更容易产生较高的强度。日本石墨纤维公司的XN-90断面结构,大部分就是乱层结构。

层叠结构

 

层叠结构,与辐射型纤维片层结构类似,只是其片层结构与纤维轴向平行,这种结构不容易开裂,同时具备了很好的导热及模量。如美国P100就是这种结构。

放射型折叠结构

该结构整体上是放射型,但是其片层之间又相互折叠,相当于增大了片层间的“摩擦力”,这种力也使纤维不容易开裂,从而具有很高的力学性能。日本三菱公司K13D就是这种结构。

结构如何产生的

 

很多学者对中间相沥青的纺丝做了很多研究,对其结构的产生还没有非常好的解释理论。但普遍认为和纺丝温度、喷丝板结构、物料状态、收丝牵伸比有关。

 

有人认为纺丝温度是影响其结构最直接的因素。并表示纺丝温度越低,越容易产生辐射结构,温度越高越容易产生乱层、以及洋葱皮结构。但后来,有学者利用同一种沥青,在高温和低温下都制备出了辐射状很好的沥青纤维。这就对温度是影响其纤维结构的主要因素提出了质疑。

 

有人用常规的单孔纺丝机对沥青纺丝和加了搅拌的纺丝机(如上图所示)进行纺丝对比发现,常规纺丝机纺出的是辐射状的纤维结构,而加了搅拌的纺丝机(无论哪一种搅拌形式)纺出的纤维,具有乱层以及类洋葱结构。这说明沥青长时间的静置,其分子排列进行了预排列,从而进入喷丝板结构更规整,更容易产生辐射结构。

 

还有人利用不同长径比的喷丝板,对纺丝的结构进行对比发现,长径比越大,更容易产生辐射结构。也有人对纺丝的牵伸速率进行了对比,发现在得到纤维直径相同的前提下,牵伸越快越容易得到辐射状的纤维。

 

结语

 

说到底,沥青纤维的结构是沥青分子排列的结果。沥青纤维结构肯定受温度的大小、粘度的高低、物料的状态、喷丝板的结构、收丝的速度、纤维的直径、热处理工艺的综合影响,从某单一因素来讲,并不具备通用性。因为不同的沥青,其黏温曲线、分子类型相差交大,从而某种规律性不能从一而论,这也许就是不同的研究学者,在不同地方得出不同结论的原因。

 

对于某一物料,可以通过调节不同的参数组合,肯定可以制备出结构相同或相近的纤维。 我们只有从原理上了解其影响结构产生的原因,从而根据所需制备可控结构的纤维。想要高强度的沥青纤维,我们就要设法制备乱层结构和放射型折叠结构的纤维。而如果我们想要超高导热的纤维,设法制备辐射状及叠层状纤维兴许是一个不错的选择。

 

除去上述所讲结构外,沥青基碳纤维还有一些其他结构,但大多是这几种结构的复合,就是纤维局部呈现这种结构,而另一地方呈现另一结构。在这里就不概述了。

来源:沥青基碳纤维

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