Фазовые превращения в материале полиакрилонитрильной нити в процессе термомеханической обработки

• Автор: Фазлитдинова, Альфия Габдиловна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Получение углеродных волокон на основе полиакрилонитрильной нити

1.2. Химические преобразования материала прекурсора в процессе термостабилизации

1.3. Объемные изменения полиакрилонитрильной нити в процессе низкотемпературной обработки

1.4. Формирование структуры термостабилизировагшого волокна

1.5. Постановка задачи

ГЛАВА И. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования, методика и режимы термостабилизации полиакрилонитрильных волокон
2.2. Методы исследования
2.2.1. Рентгеноструктурный метод исследования
2.2.2. Дилатометрия
2.2.3. Метод измерения пикнометрической плотности
2.2.4. ИК-спектроскопия
2.2.5. Дериватография
2.2.6. Оптическая и растровая электронная микроскопия
2.3. Методика подготовки образцов для рентгеноструктурных исследований
2.4. Методика проведения текстурных исследований
2.5. Методика обработки экспериментальных результатов и используемое программное обеспечение
2.5.1. Проведение фазового анализа
2.5.2. Вычисление степени кристалличности материала
2.5.3. Определение индекса ароматичности полимера
ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Влияние режимов термообработки на изменение линейных размеров полиакрилонитрильной нити
3.2. Фазовые превращения материала полиакрилонитрильной нити в процессе термостабилизации
3.2.1. Влияние температуры изотермической обработки на фазовый состав и размеры областей когерентного рассеивания полиакрилонитрильного волокна
3.2.1.1. Особенности структурных преобразований материала полиакрилонитрильной нити, изготовленной с применением диметилсульфоксида
3.2.1.2. Фазовые преобразования полиакрилонитрильной нити, изготовленной с применением диметилформамида

3.2.2. Влияние вытягивающей нагрузки на фазовый переход ^
полиакрилонитрила в структуру термостабилизированного волокна
3.3. Текстурные исследования материала нити в процессе термообработки
3.3.1. Изменение текстуры материала полиакрилонитрильной ^ нити в процессе термообработки
3.3.2. Влияние механического воздействия на изменение средних размеров областей когерентного рассеивания
3.3.3. Влияние температуры изотермической обработки на ^ изменение средних размеров областей когерентного рассеивания
3.4. ИК-исследоваиия структурных преобразований материала , ^ полиакрилонитрильной нити в процессе термостабилизации
3.5. Калориметрические и термогравиметрические исследования материала полиакрилонитрильной нити
ГЛАВА IV. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНОЙ НИТИ В ПРОЦЕССЕ 108 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
4.1. Влияние вытягивающей нагрузки и температуры термомеханической обработки на изменение линейных размеров 109 полиакрилонитрильной нити
4.2. Влияние режимов изотермической термомеханической обработки на изменение размеров областей когерентного рассеяния 113 и фазового состава материала
4.3. Влияние режимов термомеханической обработки на изменение ^ ^
текстуры материала 1 ГАН нити в процессе термостабилизации
4.4. Модель процесса формирования структуры ^
термостабилизированного волокна
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВ ОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. В современной физике конденсированного состояния и химии твердого тела под наноструктурированными материалами понимают гетерогенные системы, средние размеры областей когерентного рассеивания (структурно упорядоченных микрообъемов)« которых не превышают ~100 нм. Волокна - прекурсоры, а также углеродные волокна, получаемые на основе полиакрилонитрила (ПАН), по размеру областей когерентного рассеивания являются типичными наноструктурированными материалами. Эксплуатационные свойства углеродных волокон, являющихся одним из основных видов армирующих элементов, применяемых для создания композитных материалов с высокими упругопрочностными характеристиками, определяются конечной наноструктурой, в том числе текстурой. Процесс преобразования структуры материала прекурсора (полиакрилонитрильной нити) в структуру высокопрочного или высокомодульного углеродного волокна многостадиен. Согласно [1-3] его обычно проводят в три этапа через окислительную термостабилизацию (200ч-300°С), высокотемпературную (<1600°С) карбонизацию и дополнительную (>2000°С) высокотемпературную обработку [4], обеспечивающую получение высокомодульного волокна. Следует также отметить, что уникальные упруго-прочностные свойства углеродного волокна во многом определяются высокой текстурой материала [5-7], которая закладывается уже на этапе получения исходной ПАН нити.
Термостабилизация ПАН волокна является одной из важнейших стадий в формировании структуры высококачественных углеродных волокон. Процесс фазового перехода сопровождается протеканием реакций циклизации, дегидрогенизации и окисления, происходит изменение степени кристалличности и индекса ароматичности материала [8-13]. В результате такого взаимодействия в объеме исходного ПАН волокна формируется новая наноструктура термостабилизированного волокна.

В работе [87] проведены исследования фазового состава углеродных волокон на основе ПАН на различных стадиях термообработки с помощью метода разделения сложных дифракционных профилей на отдельные компоненты. Показана возможность существования так называемой «менее совершенной фазы» наряду с крупнокристаллической фазой полиакрилонитрила (рис. 1.23).
Согласно проведенным исследованиям [87] исходное ПАН волокно состоит из двух фаз: с более совершенными параметрами и менее совершенными (рис.1,23«а», табл. 1.2). По мнению авторов, крупнокристаллическая фаза является результатом рассеяния рентгеновских лучей от внешней высокоориеитированной оболочки волокна.

29, град
14 15 16 17 18 19 20 21
20, град
более совершенная фаза
менее совершенная фаза
20, град
Рис. 1.23. Результат разделения профиля
исходного (а) ПАН и окисленных волокон при температуре 700°С (б) и
900°С (в) [87]