在高温碳化过程中,基于PAN的碳纤维的拉动诱导结构优化
Seungmin Yu1, Hyun-Jae Cho2, Tae-Hoon Ko3
1Department of JBNU-KIST Industry-Academia Convergence Research, Jeonbuk National University, 567 Baekjedaero, Deokjin-gu, Jeonju-si 54896, Jeollabuk-do, Republic of Korea.
Nanomaterials (Basel, Switzerland)
|September 12, 2025
概括
在碳化过程中施加中等拉力应变可增强基于聚烯二 (PAN) 的碳纤维特性. 最佳拉伸 (10%) 提高了结晶性和机械强度,这对于先进的材料设计至关重要.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 聚合物科学 聚合物科学
- 纳米技术纳米技术
背景情况:
- 基于聚烯二 (PAN) 的碳纤维是具有可调节性质的先进材料.
- 在加工过程中控制微结构是优化机械性能的关键.
- 在高温碳化过程中拉伸应变的作用需要详细的研究.
研究的目的:
- 为了研究在碳化过程中施加的拉伸应变对基于PAN的碳纤维微观结构和机械性能的影响.
- 为了确定最佳的拉力拉力比率,以提高纤维性能.
- 阐明受碳化阶段应变影响的结构性质关系.
主要方法:
- 湿稳定PAN前体纤维在1400°C下在不同的拉力拉力比率 (0-15%) 下被碳化.
- 在2400°C的后续无压力石墨化中,分离了碳化阶段的张力效应.
- 结构分析采用X射线衍射 (XRD),2D-XRD,拉曼光谱和高分辨率传输电子显微镜 (HR-TEM).
- 测量了机械性能 (拉力强度,扬模量) 和密度.
主要成果:
- 适度拉伸应变 (5-10%) 显著改善了纤维结晶性,方向和石墨烯层对齐.
- 10%的引力比率产生了最佳的结果:降低了层间距 (d002),增加了侧面结晶体大小 (La),高度定向,并且最小的混乱.
- 这种10%应变纤维表现出优越的机械性能:约2.44GPa的抗拉强度,约408.6GPa的模量,密度为1.831g/cm3.
- 过度应变 (15%) 导致微观结构缺陷和性能降低.
结论:
- 碳化过程中的拉伸应变控制对于优化基于PAN的碳纤维结构和特性至关重要.
- 适度的应变增强了结构秩序和机械性能,而过度的应变是有害的.
- 结果为设计高性能碳纤维的先进加工策略提供了洞察力.
