Влияние структуры исходной ПАН-нити на структуру и свойства углеродного волокна

Уникальные физико-механические свойства углеродного волокна (УВ) обусловлены особенностями его микроструктуры, в том числе размерами областей когерентного рассеяния (ОКР) и высокой степенью упорядоченности материала.

ВНИМАНИЕ! Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками (вместо pic), графиками, приложениями, списком литературы и т.д., необходимо скачать работу.

Влияние структуры исходной ПАН-нити на структуру и
свойства углеродного волокна

В. А. Тюменцев, А. А. Свиридов, С. А. Подкопаев, И. А.
Ягафаров


Уникальные
физико-механические свойства углеродного волокна (УВ) обусловлены особенностями
его микроструктуры, в том числе размерами областей когерентного рассеяния (ОКР)
и высокой степенью упорядоченности материала, формирующегося в процессе
термостабилизации (200—300 °С) и высокотемпературной (-1500—3000 °С) обработки
исходного волокна на основе полиакрилонитрила (ПАН-волокна) [1—5]. В литературе
достаточно подробно рассмотрено влияние режимов термостабилизации и
высокотемпературной обработки на тепловые эффекты, удаление летучих, усадочные
явления и физико-механические свойства образующегося нанодисперс-ного
волокнистого материала [2—4]. Однако закономерности структурных преобразований
паракристал-лического полиакрилонитрила в термодинамически неравновесную
нанодисперсную структуру термоста-билизированного волокна, а затем в структуру
углеродного волокна в условиях высокоскоростного нагрева недостаточно изучены.
В работе рассмотрены закономерности преобразования материала ПАН-волокна,
полученного по диметилсульфоксидной технологии, в углеродное волокно.


Термостабилизацию
ПАН-волокна осуществляли в атмосфере воздуха в изотермических условиях
лабораторной установки и в высокотемпературной печи рентгеновского аппарата.
Средние размеры ОКР волокна определяли методом рентгеноструктурного анализа
(фильтрованное СиА^-излучение) по стандартным методикам. Межплоскостное
расстояние фаз рассчитывали по центру тяжести дифракционных максимумов.


Особенностью
температурных исследований in situ является то, что в процессе эксперимента
информацию о структуре материала получают от одного и того же объема вещества,
что позволяет оценить изменение количества исходной кристаллической фазы.
Нагрев жгута в специальной печи рентгеновского аппарата до


240
°С проводили со скоростью 2,5 град/мин с последующей изотермической выдержкой в
атмосфере воздуха до завершения структурных преобразований материала.


По
мере повышения температуры образца ПАН-нити, полученной по режиму I, на
дифрактограмме постепенно происходит смещение характерного для
полиакрилонитрила максимума 220 в сторону меньших углов дифракции на -0,75
градуса, возрастает в -1,3 раза интенсивность сигнала в максимуме, а средние
размеры областей когерентного рассеяния, рассчитанные по интегральной ширине,
увеличиваются до 14,8 нм (рис. 1, табл. 1). В процессе изотермической выдержки
интенсивность максимума 220 начинает уменьшаться. При этом одновременно
происходит увеличение его интегральной ширины Pi. Структурные преобразования
материала завершаются через 2,5 часа. Изменение условий формования ПАН-нити
оказало существенное влияние на закономерности структурных преобразований
материала. На кривой дифференциально-термического анализа максимум экзоэффекта,
обусловленный протеканием реакций циклизации и окисления, сместился на 15 °С в
сторону более низких температур.


В
процессе нагрева волокна, полученного по режиму II (табл. 1), наблюдается
смещение дифракционного максимума 220 в сторону меньших углов дифракции всего
на -0,63 градуса, однако его интенсивность в максимуме возрастает в -1,6 раза,
а средние размеры областей когерентного рассеяния увеличиваются до 17 нм. Во
время изотермической выдержки материала также более активно развивается фазовый
переход структуры ПАН в «предструктуру» углеродного волокна (рис. 2). Процесс
завершается через 2 часа, и характерные для структуры ПАН дифракционные
максимумы на рентгенограмме не обнаруживаются (табл. 1). Наблюдаемые изменения
на дифрактограмме, а также данные, приведенные в [6], указывают на Cu-Ка —
излучение, растворитель полиакрилонитрила — диметилсульфоксид то, что в начале
окислительной термообработки происходит заметное увеличение средних размеров
областей когерентного рассеяния полиакрилонитрила.


В
процессе изотермической термообработки постепенно изменяется расположенный в
области углов 263 -27 градусов третий широкий дифракционный максимум,
обусловленный рассеянием рентгеновских лучей нанодисперсной фазой с межслоевым
расстоянием, сравнительно близким к структуре графита. Авторы работы [7]
полагают, что формирование этого максимума связано с рассеянием рентгеновских
лучей на так называемой «разориентированной» фазе. Широкий третий максимум
смещается в область меньших значений углов дифракции с уменьшением его интегральной
ширины. Изменения на рентгенограмме обусловлены уменьшением межслоевого
расстояния и некоторым ростом размеров областей когерентного рассеяния.


Структурные
преобразования материала ПАН-волокна, полученного по режиму III, в процессе
изотермической термообработки при 220 °С развиваются более активно. На
дифрактограмме недоокисленной ПАН-нити наряду с характерными для структуры
полиакрилонитрила максимумами при значениях углов дифракции 26] = 16,7 и 262 =
29 градусов отчетливо наблюдаются достаточно интенсивный третий дифракционный
максимум (263 = 27,3 градуса, рис. 3). При этом интегральная ширина первого
максимума Pi недоокисленной нити увеличилась, по сравнению с Pi исходного ПАН,
почти на 40%. Следовательно частичный (развивающийся в локальных микрообъемах
филамента) фазовый переход материала ПАН-нити, полученной по режиму III,
сопровождается заметно большим диспергированием исходной фазы и, возможно,
появлением микродеформаций этой структуры.


Недоокисленная
ПАН-нить двухфазная состоит из кристаллической и нанодисперсной фазы, которую
можно рассматривать как промежуточную между структурой ПАН и углеродного
волокна. Исходная и вновь образующаяся фазы в термостабилизируемом волокне
сосуществуют в широком температурном интервале. Увеличение температуры термообработки
стимулирует завершение структурных преобразова-


Таблица
1


Изменение
параметров структуры ПАН-волокна в процессе термообработки in situ в атмосфере
воздуха





















































г, "С


Время изотермического нагрева


Положение дифракционного максимума 26, град.


Интегральная  ширина 
град.


Расстояние d, нм


Средние размеры OKI L, нм


Интенсивность дифрак ционного максимума /, отн. ед.


ПАН-нить,


полученная


по режиму


I


75



17,15


0,8


0,517


10,2


170


170



16,75


0,8


0,529


10,2


175


200



16,6


0,7


0,534


12,7


195


220



16,55


0,65


0,535


13,7


210


240



16,45


0,6


0,539


14,8


220


240


15 мин


16,4


0,65


0,540


13,8


190


240


30 мин


16,4


0,75


0,540


11,9


130


240


1 ч


16,4


1,0


0,540


8,9


50


240


1,5ч


16,45


1,47


0,539


6,1


23


240



-16,45


-1,8


0,539


5,0


10


240


2,5ч







ПАН-нить, полученная по режиму


II


20



16,83


0,8


0,517


10,2


144


50



16,8


0,77


0,5


10,1


152


135



16,6


0,77


0,5


10,1


152


170



16,4


0,7


0,534


12,7


174


195



16,33


0,6


0,539


14,8


200


220



16,2


0,575


0,5


15,2


223


238



16,2


0,515


0,5


17


245


240


0,5ч


16,2


0,6


0,540


14,8


164


240


1,0ч


16,25


0,9


0,5


9,8


60


240


1,5ч


-16,33


-2


0,


4,2


18


240


2,0ч







Скачиваний: 1
Просмотров: 0
Скачать реферат Заказать реферат