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硼系催化剂改性制备聚丙烯腈基高强高模碳纤维

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摘要

石墨化是一个消除碳结构中的缺陷，使碳材料三维有序结构发展的过程，由于聚丙烯腈基碳纤维是一种由无定形碳和石墨微晶组成的多晶多相材料，属于较难石墨化的材料。为了得到抗拉模量大于400GPa的聚丙烯腈基高模量碳纤维，一般都要在3000℃左右的高温下进行热处理，但是在如此高的温度下碳纤维的强度又会严重下降。因此，采用催化石墨化的方式，在较低温度下获得较高的模量或在获得相同模量的条件下降低石墨化温度对制备聚丙烯腈基高模量碳纤维是非常有意义的。
　　 硼是一种独特的石墨化催化剂，它是唯一可以与碳形成固溶体的催化剂，可以取代石墨晶格中的碳，促进石墨化进程。虽然已经有很多学者研究了硼对碳纤维的催化石墨化作用，表明硼改性有提高碳纤维拉伸强度的可能性，但是针对硼及硼含量对碳纤维拉伸强度的影响还尚未清楚，其作用机理还需要更加深入和细致的研究。本文采用硼酸溶液浸渍法和纳米B4C悬浮液浸渍法，系统的研究了两种硼载体及其硼含量对聚丙烯腈基碳纤维的催化石墨化作用及其机理，着重探讨了其对碳纤维力学性能的影响。
　　 实验结果表明，硼酸改性聚丙烯腈基碳纤维有明显的催化石墨化效果，碳纤维的力学性能不仅受温度的影响，同时还受硼含量的影响。在2300℃以下，硼改性碳纤维的拉伸强度低于未改性碳纤维的拉伸强度，但是2300℃以上，硼改性碳纤维的强度高于未改性碳纤维的强度。碳纤维的拉伸强度和模量均随着硼含量的增加而增加，且当热处理温度为2500℃时，经7 wt％硼酸溶液改性的碳纤维的拉伸强度和模量同时达到最大值2.46 GPa和404 GPa，同比增长了26％和16%。此外，碳纤维的拉伸强度还受碳与硼之间的反应的影响，同时还与硼的存在形式有关。在1300℃以下硼酸分解并与碳发生反应，使碳纤维表面产生缺陷，降低了碳纤维的拉伸强度。随着热处理温度的不断升高，硼会向碳纤维内部扩散，并产生两种存在形式：一种是取代固溶，另一是种是层间插层。前者会使层间距d002减小，微晶尺寸和取向度增大，而后者会使层间距增大。当热处理温度在2300℃以上且硼含量适量时，取代固溶硼会起主导作用，能够消除结构缺陷和缓解内部应力，从而提高碳纤维的拉伸强度。当以纳米B4C为硼载体时，从低温1600℃到高温2700℃，适当的硼含量均能够显著地提高碳纤维的拉伸强度。且当热处理温度为2700℃时，与未处理的碳纤维相比，硼改性碳纤维的拉伸强度和模量达到3.08 GPa和394 GPa，同比提高了增加了18%和13%。

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