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PAN基低温碳化纤维的性能及应用

马婕;王成国;于美杰;张敏;王启芬

【摘要】该文研制了碳化温度在600～900℃的聚丙烯腈(PAN)基低温碳化纤维,承受化学元素、广角X射线衍射仪和激光拉曼光谱仪分析了纤维的化学成分及微观构造,测试了纤维的力学及电学性能.结果说明:随着碳化温度的上升,纤维中碳元素养量分数提高,局部氮、氢、氧元素被去除;纤维线密度和断裂伸长率下降,体密度和拉伸强度上升;碳化过程中纤维内部乱层石墨构造体积分数提高,导致纤维体电阻率下降;低温碳化纤维/树脂复合涂层具有良好的防静电性能.

【期刊名称】《南京理工大学学报〔自然科学版〕》

【年(卷),期】2023(034)002

【总页数】4页(P275-278)

【关键词】碳化纤维;碳化温度;化学成分;微观构造;力学性能;电性能

【作者】马婕;王成国;于美杰;张敏;王启芬

【作者单位】山东大学,材料液固构造演化与加工教育部重点试验室,山东,济

南,250061;山东大学,碳纤维工程技术争论中心,山东,济南,250061;山东大学,材料液固构造演化与加工教育部重点试验室,山东,济南,250061;山东大学,碳纤维工程技术争论中心,山东,济南,250061;山东大学,材料液固构造演化与加工教育部重点试验室,山东,济南,250061;山东大学,碳纤维工程技术争论中心,山东,济南,250061;山东大学,材料液固构造演化与加工教育部重点试验室,山东,济南,250061;山东大学,碳纤维工程技术争论中心,山东,济南,250061;山东大学,材料液固构造演化与加工教育部重点试验室,山东,济南,250061;山东大学,碳纤维工程技术争论中心,山东,济南,250061

【正文语种】中文

【中图分类】TQ342.74

大多数聚合物属于绝缘材料,具有很高的体电阻率和外表电阻率(ρv1015～1018Ω·m,ρs1014～1017Ω)[1],外表简洁积存静电荷。假设材料外表的大量静电荷不能准时释放到四周环境中,就会发生静电放电,从而导致电击、火灾甚至爆炸等危害。因此聚合物基防静电复合材料的制备成为一个重要的争论领域[2-5]。通常状况下,外表电阻率在105～1012Ω范围内的复合材料都具有防静电功能。

将导电填料添加到聚合物基体中,当填料含量增加至逾渗阈值以上时,导电填料之间相互连接,在复合材料中形成连续导电通道,复合材料的电阻率就会发生数量级的转变[6,7]。依据导电通道理论,导电纤维具有高长径比,能够供给长程导电通道,与添加导电颗粒相比,用更低含量的导电纤维就可以获得具有良好防静电性能的复合材料,且对基体材料本身的性能影响更小,因此导电纤维广泛应用于防静电复合材料的制备。在众多导电填料中,碳系导电填料(炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等)因具有低密度、高导电性以及耐腐蚀性等优点而受到广泛关注,而关于低温碳化纤维性能及其防静电应用方面的争论相对较少。

本文制备了聚丙烯腈(PAN)基低温碳化纤维,测试了纤维的力学性能、电学性能以及碳化纤维/氟碳树脂复合涂层和碳化纤维/聚氨酯复合涂层的防静电性能,为碳化纤维在防静电复合材料方面的应用供给试验根底。

试验材料与方法

纤维及复合涂层制备

PAN原丝由山东大学碳纤维工程技术争论中心供给。先将PAN原丝经预氧化处理,然在氮气保护下进展低温碳化。将碳化纤维剪切为适当长度添加至树脂涂料中,

然后将涂料涂覆在玻璃纤维/树脂复合平板基体上。氟碳涂料室温固化48h,聚氨

酯涂料先室温固化4h,然后80℃固化8h。

试验方法

使用VarioELⅢ型元素检测纤维的化学成分。使用D/max-RC型X射线衍射仪(CuKα辐射源,λ=0.15418nm)和JY-HR800(He-Ne632.8nm)型激光拉曼光谱仪分析纤维的微观构造。碳化纤维的表观结晶度由式(1)计算[8]:

式中,Xc表示纤维表观结晶度,%;Sc表示衍射峰面积;St表示总的散射面积。

用比重计测量纤维的体密度,纤维细度仪和纤维强伸度仪测试纤维的线密度、拉伸强度及断裂伸长率。H2RM型高精度电阻仪测试碳化纤维的体电阻。由式(2)计算纤维的体电阻率[9]:

式中:ρf表示纤维体电阻率;Rf表示纤维体电阻;M表示纤维质量;L1表示电极间距;L2表示纤维长度;d表示纤维体密度。

使用Fluke1508型绝缘电阻仪测试碳化纤维/树脂复合涂层的外表电阻,由式(3)计算复合涂层的外表电阻率[10]:

式中:ρs表示复合涂层外表电阻率;Rs表示复合涂层外表电阻;b表示电极宽度;l表示电极间距。

结果与分析

纤维化学成分

不同碳化温度纤维的化学成分如图1所示。

图1低温碳化纤维的化学成分

在600～900