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      什么是納米碳纖維?石墨碳纖維?

      什么是納米碳纖維?石墨碳纖維?
      發布日期:2019-12-05 瀏覽次數:168

      納米碳纖維(Carbon nanofibers, CNFs):

      是直徑為50∼ 200nm,長徑比為100 ∼ 500的新型碳材料。它填補了常規碳纖維(直徑為7 ∼10µm)和單壁碳納米管(SWNTs)(直徑約為1nm)及多壁碳納米管(MWNTs)(直徑為1∼50nm)尺寸上的缺口,具有較高的強度、模量、長徑比、熱穩定性、化學活性、導電性等特點;另外,納米碳纖維在成本和產量上與碳納米管相比都有絕對的優勢。所以在復合材料(包括增強、導電及電磁屏蔽添加劑等)、門控場發射器件、電化學探針、超電容、催化劑載體、過濾材料等領域都有潛在的應用前景。如:少量加入納米碳纖維可使芯片的電阻率降到1010Ω·cm,解決靜電消散問題;加入少于3%的納米碳纖維,電阻率可降到104∼106Ω·cm,可以解決面板類電子器件的靜電噴漆問題,而加入一般碳纖維往往不能滿足該要求,因為一般碳纖維直徑太大,使靜電噴漆表面太粗糙,納米碳纖維直徑很細,靜電噴漆表面可以達到A級光潔度;作為力學性能的增強劑時,納米碳纖維可以達到連續碳纖維一樣的增強效果,而價格則相當于采用玻璃纖維作增強劑,應用在聚合物基復合材料領域可以提高基體的拉伸、沖擊強度和模量,并且導電導熱性都有大幅度的提高,是電子、汽車、航天航空等領域的理想的增強材料,如:在ABS基體中加入5%(質量分數)的納米碳纖維Pyrograf III時,納米碳纖維可在基體中得到很好的分散并發生取向,使基體的拉伸模量提高44 %。所以近年來對納米碳纖維的理論和應用研究越來越受到廣大研究者們的關注。

       

      石墨碳纖維:

      通常把2000~3000℃的熱處理過程稱為石墨化。炭纖維在此溫度下處理所得的纖維稱為石墨纖維。

      一般炭纖維的炭化溫度在1000~1500℃。熱處理到1000℃時其碳含量已達90%~92%,到1200~1500℃時碳含量可達95%左右。繼續升溫時,炭纖維中殘留的氮、氫等非碳原子進一步被脫除,非芳構化碳減少,六角碳網平面的環數增加,轉化為類似石墨層面的組織。隨著溫度的不斷上升,這些分布紊亂的石墨層面進一步靠攏(d002減小),轉化為類似石墨的微晶狀態,微晶增大(La,Lc增大),結晶態碳的比例增加,石墨層面沿纖維軸的取向度也增加。

      石墨單晶的拉伸彈性模量高達1051 GPa,炭纖維的拉伸彈性模量也隨著最高熱處理溫度和石墨化程度的升高而升高。但是其拉伸強度也將下降,這是因為在多晶材料中,晶界強度往往比晶粒內部強度小,所以初始裂紋大多存在于晶界處,且其在外力作用下擴展時,多沿晶界進行。石墨化溫度愈高,纖維中所含石墨微晶愈大,初始裂紋尺寸就愈大,纖維斷裂前裂紋擴展所走的路程就愈短,所做的斷裂功就愈小,即斷裂前所需儲備的彈性應變勢能也愈小,因此拉伸強度變小。此外石墨的蒸氣壓隨溫度升高而提高,在3000℃左右時可達103Pa,由于碳的蒸發使纖維表面缺陷增多,拉伸強度降低。這可在密閉容器中使用高純氬氣加壓石墨化的辦法來解決(氬氣在2000℃以上,能與碳反應生成氰,故宜采用氬氣)。在進行石墨化的過程中,仍有5%左右的非碳原子進一步被排除,并以氣體逸出的方式進行,因此當升溫速率過大時,由于氣脹作用會造成新的裂紋,并使一部分閉氣孔變為開口氣孔,致使纖維的拉伸強度下降。

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