本书为"航空材料科学与工程丛书"之一。作者系统介绍了碳纤维的基本概念，包括分类、性能、结构、起源和国内外发展动态，系统阐述了聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺、分析测试方法、聚合-氧化-碳化的ReaxFF力场、碳纤维结构特征与性能的模拟定量、关键生产装备和原辅材料，旨在为高性能碳纤维的基础研究及我国自主碳纤维技术体系建立提供一些新思路。
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总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 碳纤维的定义及分类 1
1.2 碳纤维的性能 3
1.3 碳纤维的结构 4
1.3.1 碳纤维的结构模型 5
1.3.2 碳纤维的孔结构 11
1.4 碳纤维的起源 17
1.4.1 黏胶基碳纤维 18
1.4.2 聚丙烯腈基碳纤维 20
1.4.3 沥青基碳纤维 21
1.5 聚丙烯腈基碳纤维国外国内技术进展和展望 22
1.5.1 国外聚丙烯腈基碳纤维技术进展 22
1.5.2 国内聚丙烯腈基碳纤维技术进展 28
1.5.3 聚丙烯腈基碳纤维技术展望 35
参考文献 38
第2章 可纺性丙烯腈共聚物的制备 42
2.1 引言 42
2.2 丙烯腈共聚合 44
2.3 丙烯腈-衣康酸溶液共聚合 47
2.4 聚合工艺参数对聚合反应的影响 48
2.4.1 溶剂对聚合反应的影响 48
2.4.2 引发剂浓度对聚合反应的影响 64
2.4.3 单体浓度对聚合反应的影响 65
2.4.4 反应温度对聚合反应的影响 65
2.4.5 反应时间对聚合反应的影响 67
2.5 共聚单体对聚合反应的影响 67
2.5.1 竞聚率的测算与反应模型的验证 67
2.5.2 共聚组成的统计推测 69
2.5.3 共聚物序列分布的统计推测 70
2.5.4 共聚物链结构的理论控制分析 72
2.6 共聚物组成与序列结构分析 74
2.6.1 序列分布 75
2.6.2 序列分布的表征 75
2.6.3 影响PAN序列分布的因素 76
2.6.4 PAN序列分布对其热稳定化过程的影响 76
2.6.5 立构规整度 77
2.6.6 高立构规整度PAN的合成 79
2.6.7 高全同度PAN的性质 80
2.7 共聚物亲水性处理 80
参考文献 82
第3章 聚丙烯腈原丝的制备 89
3.1 引言 89
3.1.1 熔融纺丝 89
3.1.2 溶液纺丝 90
3.1.3 其他纺丝方法 92
3.1.4 聚丙烯腈纤维成形方法 92
3.2 湿法纺丝凝固成纤过程 93
3.2.1 湿法纺丝凝固成形中双扩散过程和模型 93
3.2.2 湿法纺丝凝固成形中双扩散模型的研究进展 95
3.3 湿法纺丝过程中凝固工艺对初生纤维结构与性能的影响 97
3.3.1 凝固工艺对初生纤维的影响实验和方法 98
3.3.2 凝固工艺对初生纤维组成的影响 100
3.3.3 凝固工艺对初生纤维固含量的影响 105
3.3.4 凝固工艺对初生纤维结晶度及晶粒尺寸的影响 107
3.3.5 凝固工艺对初生纤维孔结构的影响 110
3.3.6 凝固工艺对初生纤维截面形态的影响 117
3.3.7 凝固工艺对初生纤维拉伸模量的影响 124
3.3.8 凝固工艺对纤维结构影响的机理 126
3.4 湿法纺丝过程中凝固成纤的传质动力学 127
3.4.1 湿法纺丝过程中的传质基本理论及扩散模型 128
3.4.2 凝固工艺对双扩散进程的影响 136
3.4.3 凝固工艺对表层凝固进程的影响 138
3.5 整个纺丝过程中纤维结构演变过程的研究 148
3.5.1 纺丝过程中不同阶段结晶度和取向度的变化 148
3.5.2 利用SAXS表征整个纺丝过程中孔结构的变化 153
3.5.3 利用压汞法表征孔结构的变化 160
参考文献 162
第4章 聚丙烯腈原丝的预氧化 167
4.1 引言 167
4.2 预氧化机理 167
4.2.1 环化反应 167
4.2.2 脱氢反应 169
4.3 原丝预氧化的热行为 169
4.3.1 共聚单体对原丝预氧化的影响 169
4.3.2 预氧化温度场对原丝预氧化的影响 184
4.3.3 空气湿度对原丝预氧化的影响 200
4.3.4 张力对原丝预氧化的影响 205
参考文献 211
第5章 聚丙烯腈预氧化纤维的碳化 213
5.1 引言 213
5.2 预氧化纤维碳化过程中的化学反应 213
5.2.1 低温碳化 214
5.2.2 中温碳化 215
5.2.3 高温碳化 216
5.3 预氧化纤维碳化过程中的动力学行为 216
5.4 碳化过程的排焦 218
参考文献 219
第6章 碳纤维的石墨化 221
6.1 引言 221
6.2 石墨化过程中碳纤维结构的变化 221
6.2.1 石墨纤维的宏观结构特征 221
6.2.2 碳纤维的元素组成变化 222
6.2.3 碳纤维的微观形貌 223
6.2.4 碳纤维的晶态结构 224
6.2.5 碳纤维介观结构形貌及其演变 226
6.2.6 石墨化过程中的径向结构 227
6.3 高温石墨化过程中碳纤维性能的变化 230
6.3.1 拉伸模量与微应力/应变的关系 230
6.3.2 拉伸模量与微晶取向的关系 231
6.3.3 拉伸模量和抗拉强度与晶粒尺寸的关系 233
6.3.4 抗拉强度与孔结构的关系 234
6.4 催化石墨化 235
参考文献 236
第7章 聚丙烯腈基碳纤维及其中间产品的性能测试及表征 239
7.1 引言 239
7.2 聚丙烯腈纺丝原液性能测试表征 239
7.2.1 聚合转化率的测定 239
7.2.2 流变性能的测定 240
7.2.3 分子量及分子量分布的测定 242
7.2.4 亲水性的测定 245
7.3 原丝性能测试表征 246
7.3.1 原丝强度、模量和断裂伸长率的测定 246
7.3.2 原丝束丝线密度的测定 250
7.3.3 原丝密度的测定 250
7.3.4 原丝上水率的测定 254
7.3.5 原丝上油率/含油率的测定 254
7.4 预氧化纤维性能测试表征 256
7.4.1 预氧丝芳构化指数的测定 256
7.4.2 预氧丝环化度的测定 257
7.4.3 预氧丝含湿量的测定 257
7.4.4 预氧丝甲酸溶解度的测定 257
7.4.5 预氧丝酸溶电镜样品的制备 258
7.5 碳纤维性能测试表征 259
7.5.1 碳纤维复丝拉伸性能的测定 259
7.5.2 碳纤维密度的测定 261
7.5.3 碳纤维上浆剂含量的测定 262
7.5.4 碳纤维灰分含量的测定 263
7.5.5 碳纤维含水率的测定 264
7.5.6 碳纤维饱和吸水率的测定 264
7.5.7 碳纤维C、H、N和O元素含量的测定 265
7.5.8 碳纤维钩接强力的测定 266
7.5.9 碳纤维金属离子含量测定的样品前处理 267
7.5.10 碳纤维丝束起毛量的测定 268
7.5.11 碳纤维层间剪切强度的测定 269
7.5.12 碳纤维预浸料含胶量的测定 272
参考文献 272
第8章 聚丙烯腈基碳纤维聚合-氧化-碳化的ReaxFF力场 273
8.1 引言 273
8.2 ReaxFF方法 273
8.3 ReaxFF力场开发 276
8.3.1 ReaxFF开发流程 276
8.3.2 碳材料的ReaxFF开发 277
8.3.3 电荷分析 278
8.3.4 能量曲线 284
8.4 ReaxFF力场模拟碳纤维制备过程中主要反应 299
8.4.1 聚合反应 299
8.4.2 氧化反应 300
8.4.3 碳化反应 304
参考文献 311
第9章 碳纤维结构特征与性能的模拟定量 313
9.1 引言 313
9.2 碳纤维结构表征的计算方法 313
9.2.1 杂环和环分析 313
9.2.2 取向 314
9.2.3 X射线衍射和晶粒尺寸 315
9.2.4 孔隙 316
9.2.5 石墨化度 317
9.2.6 拉伸断裂 318
9.3 碳纤维微观模型及对碳纤维力学性能的影响 318
9.3.1 取向对碳纤维力学性能的影响 318
9.3.2 微孔对碳纤维力学性能的影响 321
9.3.3 纤维非晶区密度对纤维力学性能的影响 325
9.3.4 纤维无定形处理温度对碳纤维力学性能的影响 326
9.3.5 元素含量对碳纤维力学性能的影响 328
9.3.6 皮芯结构对碳纤维力学性能的影响 330
9.3.7 纤维内应力与裂纹扩展关系 331
9.3.8 纤维模拟与真实力学性能对比 333
参考文献 338
第10章 聚丙烯腈基碳纤维生产的关键装备 340
10.1 引言 340
10.2 PAN纺丝原液制备装置 340
10.2.1 聚合反应釜 340
10.2.2 聚合应急系统 345
10.2.3 脱单脱泡反应器 346
10.3 PAN原丝制备关键装置 347
10.3.1 水洗装置 347
10.3.2 高压水蒸气牵伸装置 349
10.4 PAN原丝预氧化及碳化装置 350
10.4.1 预氧化炉 350
10.4.2 低温碳化炉 352
10.4.3 高温碳化炉 354
参考文献 357
第11章 聚丙烯腈基碳纤维生产的关键原辅材料 358
11.1 引言 358
11.2 丙烯腈单体 358
11.2.1 物理性质 358
11.2.2 化学性质 359
11.2.3 安全与毒理学性质 359
11.3 共聚单体 360
11.3.1 共聚单体的选择原则和作用 360
11.3.2 典型PAN基碳纤维共聚单体种类及特性 360
11.4 主要溶剂 361
11.4.1 有机溶剂体系 361
11.4.2 无机溶剂体系 362
11.4.3 溶剂回收 363
11.5 引发剂和分子量调节剂 363
11.5.1 引发剂 363
11.5.2 分子量调节剂 364
11.6 油剂 365
11.6.1 油剂的基本性质 366
11.6.2 油剂的制备工艺 367
11.7 上浆剂 377
11.7.1 上浆剂的基本性质 377
11.7.2 上浆剂的制备工艺 379
参考文献 387
关键词索引 390
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