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    进口中间相沥青碳纤维超高温石墨化处理后的特性分析
    2022-08-17    阅读量:21413    新闻来源:姜鹏飞 南京玻璃纤维研究设计院有限公司  |  投稿

    摘要:

    对P25、P55及XN-90三种进口中间相沥青碳纤维3000℃石墨化处理前后的微观形貌、晶体尺寸、力学性能、导电导热性能及其抗氧化性能进行了表征。结果表明,三种碳纤维微观结构差异较大,均呈现出较为明显的“指纹”特征。三种碳纤维中XN-90热处理温度最高,晶体尺寸最大,石墨化程度最高,抗氧化性能最好沥青网sinoasphalt.com。经过3000℃石墨化处理后,三种碳纤维的晶体尺寸、石墨化程度及导热性能均有较为明显的提高;P25和P55纤维的拉伸强度显著提高,而XN-90纤维的拉伸强度有所降低,这与其石墨化后纤维芯部的孔洞变大有关。


    中间相沥青碳纤维具有高导热和高模量的优势,广泛应用于航空航天、核能、智能机器人、5G散热等高新技术领域。例如,美国采用高性能中间相沥青碳纤维制备的C/C复合材料已成功应用于X-43A高超声速验证飞行器的头锥、水平控制表面和垂直尾翼等部分,显示出极好的机械和传热性能。全球仅有日本三菱化学、日本石墨纤维和美国Cytec三家公司实现了高导热中间相沥青基碳纤维的产业化及产品的系列化。其中美国Cytec公司生产的高性能中间相沥青碳纤维产品包括P系列(P25、P55、P100、P120,热导率分别为22、120、520、640W/(m·K))及K系列(K800X、K1100,其热导率分别为800~900和900~1100W/(m·K)),并且不同系列不同牌号纤维的性能千差万别。由于日美两国对中间相沥青碳纤维的制备技术高度保密,关于如何制备不同牌号纤维的报道较少。近年来,在国家重大需求的牵引下,高导热中间相沥青碳纤维的国产化取得了长足的进步,湖南大实现了劈裂截面和圆形截面两种碳纤维的可控制备,但产品种类略显单一。

    本研究针对美国P25、P55及日本XN-90三种不同热导率的中间相沥青碳纤维产品(热导率20~500W/(m·K))的微观形貌、晶体尺寸、力学性能、导电导热性能及其抗氧化性能进行了研究,并对其进行了3000℃石墨化处理,探索碳纤维结构与性能及制备工艺之间的关联,为中间相沥青碳纤维国产化及系列化研制提供借鉴。


    1实验部分

    1.1原料

    以三种进口中间相沥青碳纤维为原料,具体信息如表1所示。


    3结论

    三种碳纤维中XN-90微晶尺寸最大,石墨化程度最高,抗氧化性能最好,3000℃石墨化处理后三种纤维横截面石墨片层纹理结构特征更加清晰,石墨微晶尺寸和石墨化度均有提高,其中P25纤维提高幅度最大,P55纤维次之,XN-90纤维最小。由此可以推断,XN-90纤维的热处理温度最高,P25纤维的热处理温度最低。石墨化处理后三种纤维的电阻率呈下降趋势,热导率呈上升趋势,P25、P55纤维的拉伸强度显著提高,而XN-90纤维3000℃处理后拉伸强度从3.47GPa降低到2.30GPa,这与其石墨化处理后在内应力的作用下纤维芯部的孔洞变大密切相关。


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