(完整版)PAN基碳纤维及改性碳纤维高温抗氧化性能研究

专业：化学工程与工艺姓名：PAN基碳纤维及改性碳纤维高温抗氧化性能研究目录研究背景及意义1实验内容2结果与讨论3结论

4碳纤维指在化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构.碳纤维是一种力学性能优异的新材料。1研究背景及意义放大1000倍放大40000倍高强度（3-7GP）高模量（200-650GP）

耐高温

耐疲劳性好等低密度

1.8g/cm3

热膨胀系数小性能性能1

研究背景及意义应用领域航空航天

体育与医疗用品土木建材

化工行业石油工业纺织行业1

研究背景及意义本课题将碳纤维应用到高温除尘1

研究背景及意义碳纤维核心高温滤材高温含尘气体降温至200℃过滤除尘过滤除尘直接高温再利用高温含尘气体再利用能源浪费高温氧化会影响碳纤维的结构和表面形貌，从而影响CF的性能及应用。因此，研究碳纤维氧化前后结构、表面形貌的变化，不仅有极高的学术价值，而且对于更好地开发利用碳纤维具有重要的指导作用。优化实验原料：碳纤维、液化气、丙酮、硼酸、氮气实验仪器：管式炉、箱式电阻炉、智能恒温干燥箱分析仪器：分析天平、扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪2

实验内容2

实验内容浸泡硼酸TiO2

涂层致密化TiO2

复合涂层氧化气氛改性CF氧化还原气氛原基CF氧化2

实验内容可控温度：300°、400°、500°（脱硝前实验T：350-420°）可控气氛：空气气氛（21%）；还原气氛(液化气、氮气)氧化时间：以4h为时间区间除胶碳纤维改性取样烘干称量洗涤热处理复合涂层浸泡硼酸TiO2

涂层浸泡硼酸TiO2

涂层致密化TiO2

随炉子冷却表征可控温度可控气氛氧化时间多次取样3

结果与讨论3.1.1

原基碳纤维的氧化氧化时间对原基碳纤维氧化的影响氧化温度对原基碳纤维氧化的影响3.1

氧化气氛3.1.2

改性碳纤维的氧化浸泡硼酸对碳纤维抗氧化性能的影响TiO2涂层对碳纤维抗氧化性能的影响致密化涂层对碳纤维抗氧化性能的影响复合涂层对碳纤维抗氧化性能的影响3.2

还原气氛3.1

氧化气氛300°500°400°初始阶段:氧化较为缓慢，质量随时间呈线性关系。（300°，AB）中间阶段:质量随时间仍呈线性关系，氧化速度加快。（BC）最终阶段:随着时间的延长，氧化速率逐渐变小。(CD)3.1.1

原基碳纤维的氧化氧化时间15μm100nm25μm100nm35μm100nm2100nm5μm100nm2编号氧化温度氧化时间分析结论1400°0表面洁净，存在与轴平行的纵向沟槽随着空气氧化时间2400°12h表面沟槽变浅，产生毛刺出现裂纹的加长，碳纤维被3400°152h表面裂纹脱落，重现洁净表面氧化的程度也加深

3.1

氧化气氛氧化时间3.1.1

原基碳纤维的氧化

相比较400°而言，500°时碳纤维氧化过程较先进入中间阶段，且在相同条件下，氧化速率明显大于400°时的氧化速率。3.1

氧化气氛3.1.1原基碳纤维的氧化氧化温度不同氧化温度下碳纤维的重量随时间的变化400°400°300°500°氧化温度氧化气氛氧化时间分析结论300°21%8h表面无变化温度越高400°21%8h表面开始出现裂纹对碳纤维的500°21%8h表面裂纹明显增多破坏越大3.1

氧化气氛3.1.1

原基碳纤维的氧化氧化温度探索了在相同条件下，浸泡硼酸后，碳纤维重量的变化情况。浸泡硼酸后，碳纤维的重量变化比原碳纤维变化小。氧化温度氧化气氛氧化时间区别失重率①失重率②失重率③400°21%8h无硼1.1442.11.38400°21%8h有硼0.5740.520.73B2O33.1.2

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛55%浸泡硼酸后，碳纤维的重量随时间的变化无硼5μm100nm氧化温度氧化气氛氧化时间区别分析结论400°21%4h无硼表面沟槽变浅，产生与轴平行的裂纹经硼酸浸泡的CF400°21%4h有硼表面更加致密均匀,不易被氧化抗氧化性增强有硼B2O33.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛涂覆一定量的TiO2，碳纤维的失重率降低。TiO2涂层3.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛原基碳纤维和TiO2涂层碳纤维的重量随氧化时间的变化有TiO2涂层无TiO2涂层氧化温度氧化气氛氧化时间区别分析结论400°21%4h无TiO2涂层表面沟槽变浅，产生与轴平行的裂纹TiO2涂层可提高400°21%4h有TiO2涂层涂层虽有脱落，但表面结构未被破坏碳纤维的抗氧化性3.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛TiO2涂层致密化涂层在相同条件下，致密化涂层碳纤维的失重率较普通涂层的失重率明显降低。3.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛原基碳纤维、普通涂层碳纤维以及致密化涂层碳纤维的重量随氧化时间的变化无CuSO4有CuSO4温度气氛时间区别分析结论400°21%4h无CuSO4涂层脱落严重掺杂硫酸铜后使TiO2涂层更好的附着在碳纤维表面400°21%4h有CuSO4只有小面积脱落涂层不容易脱落，更好的提高了碳纤维的抗氧化性3.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛致密化涂层复合涂层碳纤维的失重率明显小于预处理及普通涂层碳纤维的失重率。TiO2+SiO23.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛原基碳纤维、普通涂层碳纤维以及复合涂层碳纤维的重量随氧化时间的变化无SiO2有SiO2温度气氛时间区别分析结论400°21%4h无SiO2涂层脱落严重复合涂层能更好的保护碳纤维表面结构400°21%4h有SiO2仅有部分脱落抗氧化性也相应增强3.1.3

改性碳纤维的氧化3.1

氧化气氛TiO2+SiO2XRD分析：由图可以看出，经热处理后，碳纤维衍射峰发生宽化，说明石墨微晶粒径变小，表面积增大，结构缺陷更严重。3.1

氧化气氛碳纤维氧化前后，晶型的变化还原氛围下CF的失重率接近零明显小于空气氛围下的失重率。图中微小变化：液化气和氮气钢瓶中含有少量氧气，故有微小的失重率。3.2

还原气氛液化气：0.2L/min;

氮气：0.8L/min。不同氛围下，碳纤维的重量随氧化时间的变化发电厂——TCCUC流程煤干馏拔头半焦(I)空气/氧气燃烧室预除尘催化燃净室高温除尘燃气轮机发电(III)蒸汽锅炉蒸汽轮机发电背压蒸汽利用(IV)CO2捕集(V)焦炉气焦油变压吸附粗苯/粗萘燃料油CO/CH4H2(VI)

还原气氛下碳纤维几乎不失重，因此，可以应用到TCCUC流程的高温除尘阶段，该实验为TCCUC流程奠定了基础。4

结论碳纤维氧化分为