Влияние структуры исходной ПАН-нити на структуру и свойства углеродного волокна (11914)

Посмотреть архив целиком

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


Случайные файлы

Файл
55262.rtf
90705.rtf
103859.rtf
112178.rtf
158841.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.