沥青基碳纤维预氧化过程中的氧渗透与分子结构演变研究

韩雪; 安小雅; 李又旺; 仇慧君; 梁鼎成; 解强; 刘金昌

doi:10.19606/j.cnki.jmst.2025059

矿业科学学报 ›› 2025, Vol. 10 ›› Issue (6) : 1163 -1174. DOI: 10.19606/j.cnki.jmst.2025059

沥青基碳纤维预氧化过程中的氧渗透与分子结构演变研究

韩雪, 安小雅, 李又旺, 仇慧君, 梁鼎成, 解强, 刘金昌

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摘要

预氧化是典型的气固反应，反应速率极为缓慢，耗时耗能。因而，揭示预氧化的反应机理和调控机制，提升预氧化反应效率已成为研究热点。升温速率作为预氧化反应中最为重要的工艺参数之一，影响着氧元素渗透与预氧化反应过程。文中聚焦升温速率对沥青基碳纤维预氧化过程的影响机理，采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、热重分析(TGA)等表征手段从分子组成与结构的演变、氧元素的渗透过程及热反应性质等角度深入剖析沥青纤维在预氧化过程中发生的微观变化，明晰升温速率影响沥青基碳纤维预氧化过程的机制。结果表明：升温速率为0.5℃/min时能够保证沥青纤维发生充分的预氧化反应，由于氧元素的渗入，氧化纤维中的桥连、稠环芳烃结构等发生氧化、缩合、脱氢、分解等一系列反应而产生三维交联的稳定结构，使纤维结构由无序相变为有序相，进而具有更强的热稳定性能。随着升温速率的加快，预氧化纤维中氧化纤维收率下降，纤维中的含氧官能团数目减少，C—O和■吸收振动峰的信号减弱，说明升温速率加快导致预氧化效率降低；升温速率为0.5℃/min条件下的氧化纤维中■、C—O—C、■等含氧官能团的含量增加。当升温速率大于0.5℃/min时，纤维表面的氧元素含量与芯部差增大，表明过大的升温速率会导致纤维内部氧元素渗入不充分，这不利于氧原子的引入，氧化不充分，使得在炭化过程中更易以小分子形式释放出去，致使碳纤维稳定性相对较差。升温速率为0.5℃/min条件下得到的碳纤维表面则平整光滑且存在良好的纤维形状。