中間相瀝青基碳纖維表面處理的工藝淺談

謝愷

摘 要：現(xiàn)階段，我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)步，碳纖維有著耐熱性好、高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的導(dǎo)電性也是十分突出的，因此經(jīng)常被用在一些復(fù)合材料中，如碳基、樹脂等，但是由于碳纖維高溫抗氧化的性能比較差，如果在空氣中400°C以上就會(huì)出現(xiàn)失重的現(xiàn)象，這時(shí)候纖維的強(qiáng)度會(huì)明顯降低，這對(duì)材料來(lái)說(shuō)也有著嚴(yán)重的影響，要想讓碳纖維得到更加廣泛的應(yīng)用就要從多方面來(lái)進(jìn)行考慮，這樣才能看出最好的效果。本文就對(duì)中間相瀝青基碳纖維表面處理的工藝進(jìn)行具體的分析，希望能為以后該方面的工作提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：中間相瀝青基碳纖維；表面處理；工藝分析

1 中間相瀝青基碳纖維表面處理的工藝

1.1 實(shí)驗(yàn)材料以及相應(yīng)的設(shè)備

要想研究中間相瀝青基碳纖維表面處理方面的工藝，就要將各種材料準(zhǔn)備好，最主要的就是實(shí)驗(yàn)的材料要準(zhǔn)備妥當(dāng)，主要的材料包括：中間相瀝青基碳纖維、二甲基乙酰胺、高純五氯化鉭以及無(wú)水乙醇。所謂瀝青是一種將雜環(huán)化合物與稠環(huán)芳烴化合物結(jié)合的混合物，其結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，通常是黑色且有光澤的固體。中間相是介于液體與晶體之間的中間狀態(tài)，將這些材料都準(zhǔn)備好了之后就要開始準(zhǔn)備溶膠與涂層，按照相應(yīng)的比例將五氯化鉭溶解在乙醇中，在分子間力的作用之下，眾多分子都是按照液晶狀態(tài)進(jìn)行排列的，如果形成核，那么就會(huì)吸附并分散在母液中的大分子，這樣經(jīng)過一定陳化就能進(jìn)行使用。應(yīng)該在低溫干燥的環(huán)境利用制備的溶膠對(duì)碳纖維進(jìn)行涂層，應(yīng)該在低溫干燥的環(huán)境中利用溶膠來(lái)對(duì)碳纖維進(jìn)行涂層，將有機(jī)的涂層變?yōu)闊o(wú)機(jī)的涂層，這樣纖維與涂層就能進(jìn)行充分的融合，從而體現(xiàn)出最好的效果，在增加纖維表面的氧含量的同時(shí)，達(dá)到提高碳纖維與涂層之間結(jié)合力的效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)完成之后對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行一定的分析，將溶膠的形成過程以及結(jié)構(gòu)做出解釋，同時(shí)與乙醇進(jìn)行反應(yīng)，最終生成一種新的物質(zhì)即醇基鉭，這時(shí)候再加入適當(dāng)?shù)亩谆阴０愤M(jìn)行中和，讓兩者融合并出現(xiàn)反應(yīng)，這樣鉭溶膠之間的關(guān)聯(lián)度再次加深，黏度變大。涂層纖維經(jīng)過一定的高溫加熱之后再進(jìn)行1000攝氏度的處理，讓有機(jī)鉭涂層轉(zhuǎn)化為其他的物質(zhì)涂層，而Ta2O5的熔點(diǎn)是1800°C，與TaC相比較還差得很多，在抗氧化的能力上也差了那么一點(diǎn)，晶面高度是比較有序的， TaC的主峰會(huì)逐漸增強(qiáng)，并且碳峰會(huì)出現(xiàn)一定的減弱現(xiàn)象。利用掃描電鏡觀察涂層并對(duì)纖維SEM形貌進(jìn)行分析，可以看出纖維表面有一層灰白色的涂層，且涂層比較粗糙一些甚至有一點(diǎn)凹凸不平，但是能夠包覆在纖維的表面，涂層的表面有很多顆粒狀的物質(zhì)，根據(jù)光電子能譜進(jìn)行分析得出涂層主要包含了碳與鉭兩種元素，顆粒物的物質(zhì)為TaC。要想看到纖維涂層的基本結(jié)構(gòu)可以通過放大鏡的形式，而涂層一般由兩種物質(zhì)所組成，一種是白色的顆粒，一種是連接TaC的高溫?zé)峤馓?，如果在纖維表面均勻的平鋪涂層，這樣涂層的表面就會(huì)變得十分光滑，同時(shí)TaC顆粒也會(huì)比較小一點(diǎn)，最后隨著顆粒間的孔隙不斷增大，氧分子在進(jìn)行擴(kuò)散的時(shí)候也比較有利，這是由于循環(huán)涂層對(duì)表面的一些分析而出現(xiàn)的結(jié)果，這對(duì)氧分子的擴(kuò)散很有利，因此實(shí)驗(yàn)中的循環(huán)涂層就是對(duì)表面的分析，如果表面平坦完整那么就看不到明顯的孔隙，也就說(shuō)明鉭溶膠滲入了大量的熱解炭。

由于纖維表面的溫度比較高故而顆粒容易出現(xiàn)擴(kuò)散，因此TaC顆粒在涂層的表面不斷凝聚成更大的顆粒，從而形成交聯(lián)網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。通過熱失重分析并比較了涂層與TaC碳纖維的氧化行為，使涂層纖維與涂層后纖維在空氣中的熱失重曲線更加明顯，如果溫度不斷的升高，那么氧分子就能夠不斷的擴(kuò)散，涂層中的熱解碳也能被氧化并出現(xiàn)分解現(xiàn)象，由于涂層本身也有一定的裂紋與微孔，因此這就為氧氣的擴(kuò)散提供了更好的條件，使纖維被氧化。我們要在實(shí)驗(yàn)中要比較不同熔化處理溫度對(duì)纖維性能產(chǎn)生的影響，如果氧化終溫過低的話，那么纖維分子的內(nèi)部就沒有氧化交聯(lián)，碳化過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的皮芯效應(yīng)，這樣就降低了中間相瀝青的力學(xué)性能，如果氧化的溫度比較高那么中間的相瀝青纖維孔隙就會(huì)增多，只有在適宜的氧化溫度條件下，纖維內(nèi)部才能夠進(jìn)行充分的氧化交聯(lián)，從而形成穩(wěn)定性高的分子化合物，將這種氧化纖維進(jìn)行碳化處理從而得到性能最好的中間相瀝青碳纖維。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，主要對(duì)中間相瀝青基碳纖維表面處理的工藝進(jìn)行分析，可以看出，要想提高碳纖維的抗氧化能力，就要不斷擴(kuò)大它的使用范圍，這也是國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都在研究的問題，對(duì)碳纖維涂層的研究不僅能在抗氧化溫度方面得到提高，同時(shí)在一定溫度下也不出現(xiàn)明顯的失重，氧化終止溫度會(huì)逐漸的增加，隨著碳纖維的使用越來(lái)越廣泛，碳纖維表面處理方法也會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，可以說(shuō)未來(lái)的發(fā)展前景是一片光明的，相信在眾多專業(yè)人員的共同努力下，未來(lái)我國(guó)碳纖維表面處理工藝方面會(huì)取得更大的進(jìn)步，邁上新的歷史階段。

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