碳纤维是一种新型非金属材料,它和它的复合材料具有高比强度和高比模量等一系列的优异性能,被广泛应用于宇航、导弹、飞机、汽车以及文体用品等各个领域.在聚丙烯腈PAN碳纤维的生产过程中,原丝被普遍认为是制约中国碳纤维发展的"瓶颈",而纺丝又是生产原丝过程中关键的环节.PAN原丝的结构与制得的碳纤维的性能密切相关,如果能深入掌握PAN纤维在纺丝过程中的结构变化规律,就可以为进一步改善原丝及碳纤维的性能提供科学依据.国内外在这方面做了很多的工作,但是公开报道的文献很少.该文利用X射线衍射(XRD)、小角X射线散射(SAXS)、氮气吸附、压汞、声速模量、扫描电镜(SEM)等表征手段测试了纤维的结晶度、取向度、孔径大小及孔径分布、比表面积及孔容大小和截面形貌等微观结构,研究了在纺丝过程中纤维微观结构的演变规律,重点研究了在热水牵伸过程中纤维微观结构的变化过程,得出的主要结论如下:1、在热水牵伸过程中纤维结构的变化;在同样的牵伸速率和牵伸倍数下,当牵伸温度升高时,纤维的结晶度和晶区取向度都先增大后减小;由SAXS测得的Porod平均孔径和孔径分布先减小再增大;由氮吸附法测得的比表面积和孔容随牵伸温度的升高逐渐增大,但在30℃、90℃时例外,在该实验条件下,纤维中的孔大多数都是中孔.2、在整个纺丝过程中纤维的结构变化(包括水洗、热水牵伸、干燥致密化、蒸汽牵伸直到松弛热定型);纤维的结晶度:水洗丝<热水牵伸丝<干燥丝>蒸汽牵伸丝<原丝,纤维的晶区取向度在整个过程中基本上是逐渐增大的,由声速法测得的纤维的宏观取向也是逐渐增大的,特别是蒸汽牵伸后声速取向度获得很大的提高.3、热水牵伸过程中纤维应力—应变行为和牵伸后收缩率变化的研究;随着热水牵伸温度的升高,聚丙烯腈纤维的屈服应力、断裂应力、初始模量、自然拉伸比减小,断裂伸长增加.当牵伸温度在室温26℃-70℃牵伸时,聚丙烯腈纤维的应力—应变曲线属于细颈牵伸,当牵伸温度高于70℃时,纤维的应力—应变曲线属于类橡胶牵伸.随着牵伸速率的提高,聚丙烯腈纤维的屈服应力、断裂应力、初始模量增大,断裂伸长减小.升高温度、减小牵伸速率、加入起增塑作用的水对聚丙烯腈纤维应力—应变曲线的影响是一致的.