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在我們普通人看來，碳纖維制作的東西肯定是工序復(fù)雜又昂貴。
碳纖維及其復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異的性能在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,而PAN基碳纖維又由于綜合性能好、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而占據(jù)了碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。其中纖維預(yù)制體的形式很大程度上決定了復(fù)合材料的性質(zhì),整體針刺法是使用針刺機(jī)對(duì)胚體進(jìn)行針刺形成三維針刺結(jié)構(gòu)的一種方法,既解決了樹脂粘結(jié)法層間剪切強(qiáng)度低,整體密度及性能不均勻等缺點(diǎn),又克服了3D編制結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜,周期長(zhǎng)等不足,是一種很有發(fā)展前景的預(yù)制體制備方法。
整體針刺法制備了PAN基預(yù)氧絲針刺氈,并研究了通過元素分析、拉伸試驗(yàn)、掃描電鏡、FTIR分析、質(zhì)量密度分析、反應(yīng)原理分析等方法研究了預(yù)氧絲針刺氈在碳化過程中發(fā)生的反應(yīng)、熱行為及不同工藝參數(shù)對(duì)碳纖維針刺氈性能的影響,并做了實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)條件下的工藝優(yōu)化。研究結(jié)果表明： 低溫碳化過程中,預(yù)氧化纖維中會(huì)殘留未環(huán)化的線型分子會(huì)發(fā)生部分二次環(huán)化及鏈間交聯(lián)反應(yīng)。高溫碳化階段,梯形結(jié)構(gòu)的聚合物進(jìn)行交聯(lián)和芳環(huán)化,環(huán)化單元形成的平面互相連接進(jìn)而構(gòu)成六元環(huán)結(jié)構(gòu)的共軛平面層,碳基面隨溫度的升高持續(xù)生長(zhǎng),最終在PAN纖維內(nèi)部形成了類石墨結(jié)構(gòu)。
針刺過程中影響氈體密度的因素有針刺主軸頻率與牽引夾輥移動(dòng)速度,通過調(diào)整著這兩個(gè)參數(shù)可以獲得不同密度的預(yù)氧絲針刺氈。Z向力學(xué)性能的提高是在犧牲一部分X-Y向力學(xué)性能的前提下實(shí)現(xiàn)的。 碳化過程中,纖維發(fā)生收縮卷曲導(dǎo)致氈體的強(qiáng)度下降,纖維直徑的減小也對(duì)氈體性能有一定的影響。氈體體積收縮率弱于質(zhì)量收縮率,而密度的變化與質(zhì)量的變化較為一致。
碳化溫度達(dá)到1000℃后纖維中C的含量都超過了90%,在成分上是合格的碳纖維,生產(chǎn)過程中碳化溫度的選擇可以根據(jù)實(shí)際需求而定,需要權(quán)衡元素含量與產(chǎn)率、力學(xué)性能之間的利弊。使用較緩慢的升溫速率,會(huì)使碳化反應(yīng)進(jìn)行的更徹底,碳元素含量提高,氈體失重增加,但升溫速率對(duì)碳化質(zhì)量得率的影響弱于碳化溫度。相比碳化溫度,升溫速率對(duì)碳纖維針刺氈X-Y向的拉伸強(qiáng)度影響很弱,升溫速率的選取需要權(quán)衡元素含量與產(chǎn)率之間的利弊。在本實(shí)驗(yàn)條件下,保溫時(shí)間不是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。
但在實(shí)際生產(chǎn)中,需要考慮熱透性的問題,主要原則是碳化所得的氈體在成分與結(jié)構(gòu)上均勻。PAN基碳纖維針刺氈表明出具有良好的破壞抗性和假塑性。
碳纖維可以與不同的材料進(jìn)行復(fù)合，可與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。而其中使用最廣泛、制作較為容易的就是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中比較好的。