尺寸效应对PAN纤维热反应进程影响规律的研究

【摘要】在PAN基碳纤维的制备过程中,预氧化是决定碳纤维性能的关键步骤之一。碳纤维的雏形结构在PAN纤维经过预氧化处理之后就基本形成了,最终形成的碳纤维乱层石墨结构,很大程度上都依赖于在此阶段形成的分子结构。由于高性能PAN基碳纤维的不断出现,研究人员也越来越重视纤维的细旦化研究。有数据显示,经过细旦化处理后的碳纤维,力学性能得到了极大地提高。本文主要研究了尺寸效应在预氧化过程中对PAN纤维热反应进程的影响规律和尺寸效应影响碳纤维性能的根本原因所在。本文对不同纤度的PAN纤维的预氧化过程进行了研究,并用FTIR、XRD、DSC、NMR、Raman等测试手段进行表征,对不同纤度的PAN纤维经过热处理之后在结构上的本质区别有了初步了解,并针对性地提出了“无氢芳香碳”和类萘啶结构的概念,本文将它们称之为预氧特征结构。又进一步从时间效应、温度效应和温谱效应的角度对尺寸效应的影响规律进行了验证。本论文的主要研究内容如下：1、通过对不同预氧化阶段样品的热分析以及皮芯结构分析,研究了PAN纤维在预氧化过程中的结构演变过程,得到如下结论：处于不同预氧化阶段的样品随着处理温度的提高,明显提高了预氧化的程度、环化度、相对环化率、芳构化指数和密度等,同时表征预氧化程度的参数也有一定的规律变化。预氧化过程的前期以环化反应为主,中后期以脱氢反应和剧烈的氧化反应为主。总结并提出了“无氢芳香碳”的概念,且“无氢芳香碳”在C=C中的相对含量可以体现出预氧化过程中经分子内环化和分子间环化形成的网状结构的大小,从而能农现出经过碳化交联形成的石墨片层尺寸。2、从PAN纤维纤度入手,研究了纤维的形态结构、聚集态结构和化学结构在热处理过程中受到的尺寸效应的影响。实验结果表明：热处理后的皮芯结构很明显地受到纤维尺寸效应的影响,比较纤度为0.478dtex、0.758dtex和1.210dtex的三种纤维,纤度为0.478dtex的纤维没有皮芯结构,均质性较好,而纤度为0.758dtex和1.210dtex的纤维,皮芯结构较明显,均质性也较差。此外,PAN纤维热处理过程中的环化度也受到尺寸效应的影响,纤度越低环化度越高,但是经过不同温度处理后的不同纤度的纤维,密度差别不大。纤维分子的结构也很明显受到了尺寸效应的影响,纤度越低,预氧结构中的“无氢芳香碳”的相对含量较高,这说明纤度低的PAN纤维经热处理后分子间交联的程度相对较高；预氧结构中的类萘啶结构也相对较多。同时,应用尺寸效应研究了影响“无氢芳香碳”和类萘啶结构的机理,从而知道不同纤度PAN纤维聚集态上的差异和在传热传质上的优劣是造成预氧结构差异的主要原因。3、从时间效应、温度效应和温谱效应的角度探究了PAN纤维热处理过程中预氧特征结构的形成机制,并进一步验证了尺寸效应对预氧结构造成的影响。研究结果说明：无氢芳香碳相对含量的提高和类萘啶结构的增多都可以通过热处理时间的延长实现；两种预氧特征结构的形成存在明显的温度相关性；通过综合考虑热处理时间和温度因素,进行合理的温谱设计能够很好地促进预氧特征结构的形成。4、从碳纤维制备过程中预氧结构向碳纤维结构的演变过程出发,对预氧特征结构向碳纤维结构的演变,以及碳纤维结构和模量的影响做了深入的研究,从分析结果可知,预氧特征结构(无氢芳香碳和类萘啶结构)的含量越高,碳纤维石墨化度也会随之提高,也越有利于石墨片层尺寸的增大,从而对碳纤维模量的提高具有一定的贡献。5、本论文主要有四个创新点,一是从预氧化阶段的研究中,得出了影响碳纤维模量的预氧特征结构(无氢芳香碳和类萘啶结构);二是揭示了尺寸效应对预氧特征结构形成的影响；三是研究了预氧特征结构形成的时温效应；四是提出了预氧特征结构向碳纤维结构转变的机理并建立了预氧特征结构与模量之间的关系。
【作者】赵纯；
【导师】徐樑华；
【作者基本信息】北京化工大学，材料科学与工程，2012，博士
【关键词】尺寸效应；PAN基碳纤维；预氧化；无氢芳香碳；类萘啶结构；

【参考文献】
[1]尹朝晖.基于GPS/GPRS/GIS动态车辆调度研究[D].内蒙古科技大学,机械电子工程,2013,硕士.
[2]张小利.我国农业种子市场规制法律问题研究[D].西南政法大学,经济法（专业学位）,2012,硕士.
[3]肖英龙.30MnTiB钢平炉冶炼工艺技术分析[J].四川冶金.1990(02)
[4]HarryMayne,黄伟帆.非线性扫描[J].石油地球物理勘探,1984,04:321-328.
[5]王德兵.明清戏曲美学范畴研究[D].扬州大学,文艺学,2014,博士.
[6]倪元敏,张晓冰.畸变信号条件下电能合理计量方法探讨[J].电力系统自动化,2008,17:88-91.
[7]李小毛.行舟方对风热肠燥型混合痔外剥内扎术后水肿影响的临床研究[D].福建中医药大学,中医外科学（专业学位）,2013,硕士.
[8]王孟杰.生物能开发与利用[J].科技导报.1993(07)
[9]吴丰田.特征Sturmian词的性质[D].华中科技大学,基础数学,2013,硕士.
[10]邵传勇.在VTS中AIS岸台相关技术的研究[D].大连海事大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[11]冯碧波.棉织物生物酶前处理工艺研究[D].东华大学,纺织化学与染整工程,2004,硕士.
[12]张奇勇.情绪感染的发生机制及其调节模型[D].上海师范大学,发展与教育心理学,2014,博士.
[13]刘浩.基于壳聚糖的新型Pickering乳液及相应功能材料的制备和应用[D].华南理工大学,2014.
[14]谷锋.攀枝花发电公司“物资超市”管理模式应用研究[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[15]贾毅婷,张东来,张斌.基于小波尺度相关性的暂态数据降噪压缩方法[J].电力系统自动化,2013,05:68-73.
[16]罗文焱.色相如天青金石[D].中国地质大学（北京）,艺术设计,2014,硕士.
[17]要甲.基于多式交通均衡的公交专用道设置分析与优化[D].中南大学,交通运输工程,2014,博士.
[18]陈爽.确定利率下保险公司最优保费政策问题的研究[D].吉林大学,应用数学,2013,硕士.
[19]谷晓明,张培培,王庆飞.钯修饰石墨烯对甲酸的催化氧化[J].产业与科技论坛,2013,19:67-69.
[20]吴楠,何志群,许敏,肖维康.氮杂苯并菲类n-型有机半导体材料研究进展[J].物理化学学报,2014,06:1001-1016.
[21]魏忻芳.浅析服务贸易自由化与中国服务业的对外开放[D].吉林大学,国际贸易学,2004,硕士.
[22]鲁陶.行业动态[J].山东陶瓷,2014,01:24-26.
[23]胡小姗.汪道昆碑传文研究[D].安徽大学,中国古代文学,2014,硕士.
[24]樊丽杰.移动电子商务征信系统的研究与实现[D].河北经贸大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[25]黎华东.智能交通中的违章识别算法研究[D].哈尔滨工业大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[26]雷俊川.应用四环素调控系统建立可调控抗恶性疟原虫DNA疫苗的初步研究[D].第四军医大学,病原生物学,2004,硕士.
[27]杨夏.互联网项目方案决策的方法研究[D].天津大学,项目管理,2013,硕士.
[28]卫艺文.基于营销策略的电力需求侧管理研究[D].武汉纺织大学,工商管理,2014,硕士.
[29]彭涌泉.宁夏自治区系统协调发展实证研究[D].华侨大学,数量经济学,2004,硕士.
[30]王梦娜.传统村落非物质文化遗产保护研究[D].湖南师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[31]霍晓雪.学校基本信息管理软件的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2012,硕士.
[32]刘英伟.地质资料信息社会化服务模型及应用研究[D].中国地质大学（北京）,管理科学与工程,2013,硕士.
[33]秦向阳.CD44v6在人视网膜母细胞瘤及增生性玻璃体视网膜病变增生膜中的表达[D].第四军医大学,眼科学,2004,硕士.
[34]廖颜沛.异步电机的直接转矩控制研究[D].西南交通大学,系统工程,2014,硕士.
[35]周剑峰,杨兆升.GIS在城市交通共用信息平台中的应用[J].吉林大学学报(工学版),2005,02:183-186.
[36]吕云雷.绿色节能光网络的优化设计[D].苏州大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[37]马克.多品种小批量成长型制造业精益ERP研究与实现[D].浙江理工大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[38]陈国伟,赫玉欣,张玉清.环境友好型热固性聚氨酯泡沫材料的研究进展[J].塑料科技,2013,12:101-107.
[39]沙冰梅.主位理论和主位推进模式下《京华烟云》的语篇分析[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[40]吴曹祯姝.大学生艾滋病污名研究及干预[D].南京大学,社会工作（专业学位）,2013,硕士.
[41]吴圆圆.我国高中政治新课程改革的问题与对策研究[D].鲁东大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[42]冯靓.论知名商品特有包装装潢的法律保护[D].河北经贸大学,法律,2014,硕士.
[43]梁艳.欧阳修书论研究[D].吉林大学,中国古代文学,2014,硕士.
[44]原野.基于语义技术的柑橘施肥决策支持系统研究[D].西南大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[45]耿新宇.基于ANSYS的铁道车辆焊接结构分级疲劳强度分析[D].西南交通大学,车辆工程,2013,硕士.
[46]曾星星.非线性方程牛顿场线法[D].湖南师范大学,计算数学,2013,硕士.
[47]彭贺.股民投资预期形成的心理机制研究[D].华东师范大学,应用心理学,2001,硕士.
[48]褚珊.铁路公益性运输服务的有效供给与补贴机制研究[D].北京交通大学,2014.
[49]李俊敏.NHK新闻口译实践报告[D].河北大学,日语口译,2014,硕士.
[50]李玥.西安市“城中村”改造模式探讨[D].西安建筑科技大学,建筑设计及理论,2004,硕士.