王玉彬 徐朋 华林
山东省纺织设计院 山东省济南市 250013
摘要：对经过相同预氧化、低温碳化以及不同高温碳化处理的碳纤维样品进行了拉伸强度、拉伸模量以及密度的分析，发现了两种原丝在经过碳化工艺处理后拉伸强度、拉伸模量、密度以及高温碳化温度的相关性，并对其影响机理进行了分析。研究表明，处于一定温度内的碳纤维拉伸强度会随着高温碳化温度的增加而增加，当高温碳化温度达到一定的值时，碳纤维拉伸强度将会有所下降。碳纤维拉伸模量与高温碳化温度成正比，碳纤维密度与高温碳化温度成正比。
关键词：碳纤维 高温碳化温度 拉伸模量
引言：高温碳化是纤维制作过程中的一个重要阶段，其过程主要是在纯度较高的惰性气体保护下将纤维加热到1200℃-1600℃，从而除去其中的非碳原子，将其转化为乱层石墨结构的碳纤维。在进行高温碳化的过程中，PAN纤维聚合物结构向着多晶碳结构转变，梯形聚合物间进行进一步的关联，非碳原子从纤维中进一步排除。从某种角度而言，高温碳化炉的工艺决定了纤维的最终力学性能，高温碳化温度则决定了纤维的强度、模量、体密度等重要性能指标。
一丶具体实验
（一）材料与仪器
JH1、JH2、PAN纤维，6K，纤度都是1.22detx。环氧树脂WSR618，丙酮，三乙烯四胺。碳纤维装置有万能材料机5565，双柱密度梯度仪。
（二）实验条件
根据该实验的实际需求，设计出了8种不同的高温碳化温度的实验条件，分别为1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃以及1400℃。预氧化温度的设计根据原丝DSC曲线，控制相似的预氧化纤维密度，并且通过相同的低温碳化和不同高温碳化的工艺处理，最终制备出碳纤维。然后对其力学性能进行分析，预氧化纤维的密度为13.8g/cm3，低温碳化温度为750℃。
二丶试验结果与讨论
（一）高温碳化温度对碳纤维拉伸强度的影响
PAN纤维经过相同的预氧化以及低温碳化工艺处理后，在不同的高温碳化温度下得到的碳纤维样品拉伸强度数据可见下表：
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从上表可见，两种PAN纤维在一定的温度范围内碳纤维拉伸强度会随着高温碳化温度的增加而增加，当高温碳化温度达到一定的值时，碳纤维拉伸强度将会有所下降。JH1纤维会在温度为1350℃时出现最大值，JH2纤维则在1380℃时出现最大值。导致该现象的原因可能与原丝有关。两种原丝的拉伸强度变化基本一样。高温碳化温度的升高，非碳原子会排出，使碳原子更加的集中，从未生成六角碳网平面，最终形成乱层石墨结构。在此变化过程中，碳纤维拉伸强度逐渐提高，在乱层石墨结构的堆积密度与纤维径向保持平衡，拉伸强度则会达到顶值。当高温碳化温度达到适值时，随着温度的不断升高，N元素即非碳原子会通过N2的形式排出，纤维孔隙和缺陷会增加，导致拉伸强度降低，下图为反应图：
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图1碳化反应图
（二）高温碳化温度对碳纤维拉伸模量的影响
两种PAN纤维经过相同的预氧化和底纹碳化后，在不同的高温碳化温度下得到的碳纤维样拉伸模量的数据见下表：
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由上表可得，两种PAN纤维碳化后，拉伸模量随着高温碳化温度的提高而增加，导致该现象的原因为：随着碳化温度的不断升高，非碳原子大量排出，纤维微晶厚度和微晶堆积密度大量增加，导致纤维拉伸模量增大。缚接原纤或是缚接带的断裂也是重要原因之一。缚接原纤指的是原纤之间存在的石墨层之间的缚接层片，在高温或是其他原因导致断裂，小片层的平面缩合择优取向，拉伸模量也因此得到大幅提高。
（三）高温碳化温度对碳纤维密度的影响
两种PAN纤维在经过相同的预氧化和低温碳化处理后，在不同的高温碳化温度条件下得到的碳纤维样品密度的数据如下表：
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由上表可见，两种PAN纤维碳化后，碳纤维的密度与高温碳化温度成反比，温度越高，密度越低。其原因为低温碳化使非碳原子排出，碳含量增加，纤维从梯形结构向着乱层石墨结构转化，在温度的作用下堆积密度提高，纤维密度也相应提高。当温度达到阈值时进入高温碳化阶段，产生缩合反应，大量非碳原子以N2的形式排出，纤维则产生大量孔隙，密度也因此降低。
结束语：经过本文的研究发现，在一定的温度范围内，碳纤维拉伸强度会与高温碳化成正比，当高温碳化温度达到一定范围时，碳纤维拉伸强度则会下降。碳纤维拉伸模量与高温碳化温度成正比，碳纤维密度与高温碳化温度成反比。因此，高温碳化温度的设定应该对拉伸强度、拉伸模量以及密度进行详细考虑。
参考文献
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