碳纖維用纖維素纖維在熱解過程中微觀結(jié)構(gòu)演變的微尺度表征.pdf

1、碳纖維是一種受缺陷控制的材料。從缺陷的尺度上可將缺陷結(jié)構(gòu)分為微納結(jié)構(gòu)缺陷、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)缺陷和分子鏈結(jié)構(gòu)缺陷。這些缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于碳纖維生產(chǎn)的全過程中，因而需要對碳纖維制造的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制，其中熱解過程尤其重要。不同于PAN纖維，纖維素纖維的熱解是一個包括脫水、聚合交聯(lián)、原子重排等復(fù)雜的化學(xué)變化過程。纖維在這一過程中微納結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及分子鏈結(jié)構(gòu)都發(fā)生了巨大的變化，產(chǎn)生了大量結(jié)構(gòu)缺陷。因而，對于纖維素基纖維而言研究其在裂解過程中的結(jié)

2、構(gòu)缺陷的演變意義重大。
　　傳統(tǒng)的微觀表征手段存在著分辨率低，無法針對特定微區(qū)定量分析等問題。而本文采用最新的同步輻射 SAXS、共聚焦拉曼光譜技術(shù)以及納米紅外（nanoIR）技術(shù)從纖維橫截面和縱剖面等多個角度對纖維素纖維在熱解和碳化過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變做了全面的表征研究。其研究內(nèi)容與結(jié)論包括：
　?。?）采用最新的同步輻射SAXS研究了熱解過程中纖維微孔結(jié)構(gòu)的演變情況，定量的分析了微孔尺寸的分布情況，結(jié)果表明：在低溫裂解過

3、程中，纖維內(nèi)部的微孔沿軸向的長度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢而沿徑向的長度則逐漸減小。微孔的形狀由橢圓逐漸演變成尖銳的針形。且隨著裂解的進(jìn)行微孔的分形維數(shù)呈逐漸增大趨勢，說明低溫?zé)峤膺^程中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了微孔結(jié)構(gòu)趨于更加復(fù)雜粗糙。
　?。?）攻克了超薄切片難題，成功制備了纖維橫截面和縱剖面試樣。為此后對纖維內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的微尺度表征研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　（3）第一次提出了纖維素纖維的過渡態(tài)拉曼特征峰概念（Dt和Gt），并采用拉曼

4、mapping方法首次獲取了熱解碳化全過程中 Dt/Gt值和D/G值在纖維的橫截面和縱剖面微區(qū)上的分布情況。從而第一次將纖維內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演變情況全面清晰的呈現(xiàn)在世人面前。結(jié)果表明：在過渡態(tài)階段，纖維的橫截面已開始呈現(xiàn)不規(guī)則的皮芯結(jié)構(gòu)的雛形，而縱剖面上，Dt/Gt的分布呈現(xiàn)碎片化狀，纖維結(jié)構(gòu)異質(zhì)性較大但并未呈現(xiàn)皮芯結(jié)構(gòu)。600℃低溫碳化處理后，內(nèi)外碳化程度和晶體尺寸均不同，其中在外圍局部區(qū)域存在某些大尺寸微晶，這加劇皮芯結(jié)構(gòu)的形成。而13

5、00℃高溫碳化后，碳纖維橫截面和縱剖面上均趨向于均質(zhì)化。根據(jù)拉曼光譜的研究結(jié)果，我們提出了熱解過程中纖維素纖維微觀結(jié)構(gòu)演變的模型。
　　（4）第一次將全新的nanoIR技術(shù)（一種AFM和IR聯(lián)用技術(shù)）引入到碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)分析中。利用AFM探針從納米尺度獲取纖維中含氧基團(tuán)在表面和橫截面等微區(qū)的分布情況，發(fā)現(xiàn)含氧基團(tuán)在纖維微區(qū)上的分布及演變存在著與纖維的形貌結(jié)構(gòu)類似的異質(zhì)性。
　　綜上所述，本文采用全新的技術(shù)建立了一套纖維微觀