聚丙烯腈碳纖維

聚丙烯腈碳纖維第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四內容碳纖維概述

PANCF的制備方法及結構演變存在的科學問題及技術改進方向第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四碳纖維概述第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四碳纖維概述碳纖維是由90%以上的碳元素組成的纖維。碳原子結構最規(guī)整排列的物質是金剛石，碳纖維結構近乎石墨結構，比金剛石結構規(guī)整性稍差，具有很高的抗拉強度，它的強度約為鋼的四倍，密度為鋼的四分之一。同時具有耐高溫、尺寸穩(wěn)定、導電性好等其他優(yōu)良性能。第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四PANCF

的發(fā)展歷程

里程碑I日本科學家Shindo

預氧化II英國科學家Watt

張力預氧化

強度的進展六十年代1.4GPa七十年代2.7GPa八十年代3.5GPa九十年代7.03GPa第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四碳纖維的分類（1）

按原料分

粘膠基碳纖維（Rayon基CF）最早問世，宇航唯一性材料瀝青基碳纖維（Pitch基CF）得率最高，最經濟的品種聚丙烯腈基碳纖維（PAN基CF）性能最全面，應用最廣泛

第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

碳纖維的分類（2）

按力學性能分

通用級(GP)T-300

高性能級(HP)

高強T-1000高模M40高強高模M60J

型號指標抗拉強度MPa抗拉模量GPa斷裂伸長率％T-3003,530

2301.5T-10006,3702942.2M402,7403920.7M60J3,9205880.7第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四碳纖維的主要性能高比強度、高比模量耐高溫，使用溫度2000℃3000℃非氧化氣氛中不融不軟耐強酸、強堿及強有機溶劑的浸蝕熱膨脹系數小，約等于零熱導率高，約為10-140W/(m

。K)摩擦系數小,有自潤滑作用。導電性好，102-104/歐姆－厘米

第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四聚丙烯腈基碳纖維（PANCF）

最全面應用面最廣生產規(guī)模最大需求量最大（70％-80％）發(fā)展最快

性能最佳第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

分解溫度在于熔融溫度之前?？梢愿鞣N拉伸手段盡量拉到1000％以上，線性大分子鏈能沿纖維軸擇優(yōu)取向?？稍?60℃附近塑性狀態(tài)熱穩(wěn)定化中再次拉伸提高分子鏈擇優(yōu)取向度。在1000℃及以上溫度的熱分解中碳得率較高50-55％。PAN

的獨特結構

具有圖示的結構，這種結構容易形成共軛結構的梯形高分子，使其能夠承受較快的速度熱解而保持原有的纖維狀基本結構。第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四PANCF的制備方法及結構演變第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四聚合反應第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四聚合反應歷程聚合反應起始反應增長反應終止反應結合反應歧化反應鏈轉移反應單體轉移溶劑轉移第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四聚合反應及聚合體特點

終止速率常數（Kt）隨著溫度變化最敏感，每提高1℃,Kt值增加2-3倍，在n=2000左右時，PANMw/Mn﹥2的傾向性特別大。由于－CN基團的高度極性，-CN與各種Me+絡合能力很大，高純化難度大，容易形成間規(guī)結構，給下一步預氧化和碳化帶來一系列困難。-CN為有機基團中極性最大的基團，PAN的分子間作用力非常大，其內聚能密度（620-900J/cm3.mol）幾乎在所有合成高分子中最高,PAN分子鏈非常不容易內旋轉，甚至高溫加熱也不容易使PAN的鏈段運動,這種牢固的極性結構一旦形成某種構象及凝聚態(tài)結構就難以改變,微孔不易消除。PAN的溶解參數25.3，只能溶解于良溶劑中。DMSO的溶解參數度參數為29.4，溶解性能好，。但難以從纖維中洗凈。第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四結構規(guī)整性“頭頭”聯接？支化結構？環(huán)狀結構？第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四偶極矩

高度結晶溶解性不好可紡性較差

難以拉伸預氧化時起峰溫度高、放熱集中解決辦法:引入結構缺陷破壞結晶/改善溶解性易于紡絲.共聚合(%共單體)第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四引入共聚單體的作用增加聚合物的溶解性和可紡性改變環(huán)化機理(自由基離子機理)

降低環(huán)化溫度、放熱峰變寬

降低原絲的結構規(guī)整性和結晶度增加大分子鏈結構的不均勻性可能引入更多的無機雜質和有機雜質第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四共聚單體結構酸性單體:IA/AA…中性單體:MMA/BA…堿性單體:AM…改善預氧化過程.1)改善可紡性.2)提高氧擴散能力改善預氧化過程.改善可紡性.什么樣的共聚單體最好？其用量多少最合適？共聚單體結構酸性單體:IA/AA…中性單體:MMA/BA…堿性單體:AM…改善預氧化過程.1)改善可紡性.2)提高氧擴散能力改善預氧化過程.改善可紡性.第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四PAN原絲常用的共聚單體No共聚單體化學結構1AcrylicacidCH2=CHCOOH2MethacrylicacidCH2=C(CH3)COOH3MethacrylateCH2=CHCOOCH34AcrylamideCH2=CHCOONH25ItaconicacidCH2=(COOH)CH2COOH酸性共聚單體最適合的用量2.5mol%含量過高會引起穩(wěn)定化速率的增加引起鏈長縮減及成品質量下降第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四A,鏈段內分布均勻鏈段間分布也均勻B,鏈段間分布均勻鏈段內分布不均勻C,鏈段內分布不均勻鏈段間分布也不均勻A、B、C三種聚合物的組成相同但鏈結構不同，共性質也會不同序列結構均勻的成纖聚合物第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四PAN聚合體主鏈結構缺陷的產生機理

PAN聚合體側鏈結構缺陷的產生機理第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四成纖聚合物鏈結構分子量及其分布共聚單體結構共單體含量立構規(guī)整性畸變結構單元原絲結構(凝聚態(tài))預氧絲結構與性能可紡性序列結構均勻性預氧化GPCNMR13CNMRFTIRFTIRFTIR？第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四紡絲第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

聚丙烯腈紡絲過程中正因為采用高強力凝固劑（水、無機離子水溶液等），它們的內聚能密度>>1000J/cm3.mol，故聚丙烯腈溶膠一碰到一點點的水分子時，很快在溶膠表面形成牢固無規(guī)堆積的的PAN凝聚體及并在其中形成大量的微孔隙，且在之后的工序中很難調整這些無規(guī)堆積結構，更難以消除大量微孔，除非采取高度強制性措施，如通過高溫，高牽伸等。但是由于－CN基強極性的根本原因，一般措施難以見效。PAN原絲成形過程的特點第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四聚丙烯腈的玻璃化溫度Tg﹥104℃，并隨間規(guī)立構的含量增加Tg﹥130℃；由于間規(guī)結構是不希望出現的。這種結構越多，用常規(guī)蒸汽加熱或沸水加熱來讓PAN鏈段運動就難，所以一旦在紡絲過程的初期凝固過程中形成某種無規(guī)凝聚態(tài)結構及孔洞就很難消除，除非使用溫度高于135℃以上的高溫高壓蒸汽，高溫沸水等才有可能使PAN鏈段運動一下，才有可能在熱牽伸過程使孔洞有所變小或消失。第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四PAN纖維常用的紡絲方法：

1、濕法紡絲

2、干噴濕紡

3、干法紡絲

4、熔融紡絲第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四濕法紡絲徑向大孔明顯的皮芯結構表面軸向樹皮狀溝槽強度低下不勻率超高干濕法紡絲徑向孔洞表面溝槽致密性氧擴散阻力大幅度改善強度大提高依然存在大幅度增加規(guī)整性降低東麗公司

大側基共聚物T-700T-1000皮芯結構噴頭膨化與凝固相分離與皮芯結構形成同時發(fā)生第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四干噴濕紡突出的優(yōu)點與缺點高紡絲速度非常細線密度（＜1tex）高溫度紡絲，高濃度、高粘度截面可控：圓形非圓形干濕法強度高，延伸性好結構過于致密，氧化困難大絲束難紡第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四干法紡絲熔融紡絲紡速遠比濕紡高單個噴絲頭纖維根數纖維致密性十分高內部殘留溶劑難于去除

紡速遠比濕紡高表面缺陷、內部孔洞純度較高內部殘留溶劑難于去除碳纖維質量低下第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

高分子量（數均分子量為-2.6X105）適當的分子量分布（重均數均比2.0-2.5）最小的分子缺陷結晶取向度90％以上低共聚組分含量（2-3％）低纖度（0.7-1.2旦）有助于原絲向CF轉化時熱量的放出?？杀苊夥艧嵋鸬牡寐式档透邚姸燃案吣Ａ坷瓕捈訜徇^程中由于氰基排列產生的放熱峰，放熱峰起始位置偏于低溫區(qū)。高碳化得率優(yōu)質原絲需要具備的特性：第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

半結晶聚合物的典型兩相模型：幾十nm次序排列的離散晶區(qū)與相似尺寸的無定形區(qū)混和，縛結分子鏈跨越兩個或更多個鄰近微晶，它們在晶區(qū)之間的組分形成了無定形相。纖維的序態(tài)由晶區(qū)和無定形區(qū)組成的兩相結構。PAN纖維的序態(tài)結構與多數纖維不同。沒有真正的結晶結構，也沒有一般概念的無定形部分。（1）纖維的序態(tài)PAN原絲的結構特點第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（2）PAN纖維的X-射線衍射圖二個顯著特點：赤道線上有強烈的反射弧線，而在緯向則沒有明顯的反射點（或弧線）不存在暈圈。

表明：纖維內存在一些晶面，這些晶面與纖維軸平行，并作有規(guī)則的等距離排列?？梢哉f在大分子鏈的側向存在著一系列等距離排列的分子層（其平面和分子鏈平行）。不存在和纖維軸垂直的晶面。這表明大分子縱向原子排列無序。第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

盡管在鏈的側面（a軸和b軸）方向上分子鏈之間的排列是有規(guī)則的，但在c軸方向不存在等同周期，因此PAN纖維并不是真正的結晶結構。PAN非晶區(qū)的規(guī)整程度較高，因此沒有一般概念的無定形部分。典型半結晶聚合物、纖維的玻璃化轉變和它們的無定形區(qū)相關,PAN的玻璃化轉變和它的無定形部分關系不明確。PAN存在高度有序的區(qū)域側序分布。（被稱為準晶高序區(qū)）

可將PAN看成是由單相組成、不存在晶相和非晶相之間的界面的“準晶態(tài)”或“蘊晶態(tài)”。

第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

通俗地說，PAN單鏈形成直徑為0.6nm的圓筒形，圓筒形的單鏈堆積在一起，赤道反射就是由這些規(guī)則堆積造成的。圓筒內的鏈構象以非常不規(guī)則的方式伸展，所以PAN纖維不是軸向上的真正結晶有序。由于伸展扭結的PAN鏈不能裝入直徑為0.6nm的圓筒內，于是一些氰基伸出圓筒外，這些氰基以逆平行方向取向，使鏈間產生吸引力，形成“側向鍵合”,從而產生相當高的結晶度。第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

PAN這種二維結晶形態(tài)，與液晶相似。液晶的剛性棒狀分子堆積形成的也是二維有序結構。因此，“初生纖維的凝聚態(tài)結研究，纖維晶區(qū)取向結構與非晶區(qū)特征結構”“復雜外場對纖維晶區(qū)取向結構和非晶特征結構間的關聯性”“聚合物鏈結構、溶膠-凝膠轉化過程中PAN纖維結構的形成和后續(xù)過程中復雜外場下結構的演變規(guī)律”等研究，應該針對PAN纖維的準晶特征展開。第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（3）PAN纖維形成準晶

PAN纖維序態(tài)結構的特點，與PAN大分子中的—CN有關。氰基一個突出的特點是它的偶極矩較大（3.9德拜）。從縱向看，由于大分子鏈內—CN相互排斥，使大分子鏈扭曲成不規(guī)則狀態(tài)，無一定“螺距”，所以不能整齊堆砌形成晶區(qū)中的等同周期，從而造成縱向無序。

第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

從側向看，分子間—CN相互吸引，因此導致大分子相互有規(guī)則的排列。但是由于大分子鏈向上和向下排列的不同，而且分子鏈無規(guī)扭曲，因此并不是側向全部有序（即并不是全部—CN能配對）。因此PAN大分子側向有序，但還存在無定形部分。分子間的—CN在無定形區(qū)也有相互作用，盡管這時—CN的相互作用不是很有規(guī)則，但也并不是雜亂無章。因此PAN非晶區(qū)的規(guī)整程度比一般高聚物的無定形區(qū)高。第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

（4）PAN準晶對纖維性能的影響①PAN纖維有兩個Tg

序態(tài)不同，分子間的作用力不同。在非晶相的低序區(qū)中，鏈段間的鍵合能約為17kal/mol，在非晶相中序區(qū)中，鏈段間的鍵合能約為48kal/mol，其本質是偶極子的數量不同。第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四不同序態(tài)區(qū)中鏈段間作用力的不同，導致了鏈段運動所需要的能量不同。因此相應的大分子鏈段熱運動的轉變點Tg也不完全一樣。對于非晶區(qū)的低序區(qū)，其Tg1=80～100℃，而非晶相中序區(qū)的Tg2=140～150第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

PAN這一熱性能與PA和PET不同。PA和PET只有一個Tg。PAN的兩個Tg，隨著共聚組分含量的增加，Tg2向Tg1靠近，最后合二為一。這時PAN只有一個Tg，約為70～100℃。當這種共聚體處于濕態(tài)時，由于水分子的增塑作用，Tg將進一步下降，濕態(tài)的三元共聚PAN纖維，其Tg=40～60℃。第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

②PAN纖維有熱彈性由于PAN沒有完整的結晶，僅僅是側向高度有序，因此不能阻止鏈段的大幅度熱運動，纖維相應發(fā)生熱彈性回縮。而PA和PET纖維結構中的微晶象網一樣阻礙了鏈段的大幅度熱運動。因此不具有熱彈性。

第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

獲得高度有序PAN的方法：①制備PAN單晶，并在溶液中等溫增長。用碳酸丙撐酯可聚合出橢圓形薄片狀的PAN單晶，電子衍射圖形顯示它的鏈軸垂直于薄片表面。②溶液中紡絲后高倍拉伸。高取向的PAN纖維中可以有真正三維晶體的證據。從制成的纖維中除了觀察到赤道反射，還觀察到四個明顯的緯向反射，表明沿鏈軸方向出現一定的有序性。③溶液紡絲后高倍拉伸。高取向的PAN纖維中可以有真正三維晶體的證據。從制成的纖維中除了觀察到赤道反射，還觀察到四個明顯的緯向反射，表明沿鏈軸方向出現一定的有序性。（5）PAN序態(tài)結構的控制第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四①拉伸過程中PAN纖維取向的演變規(guī)律對于常規(guī)PAN纖維,對于常規(guī)PAN纖維,其結晶度和凝固后的拉伸過程沒有太大關系。②通過預熱拉伸使—CN偶極子得到足夠能量發(fā)生重排——橫向整列，并把—CN基團上的水化層釋放出來。這樣纖維內結構單元間的作用力得到加強。凍膠體的網絡結構趨于密實，從而有利于隨之而來的高倍率拉伸，也有利于提高取向效果。③通過熱拉伸使纖維中結構單元的取向度提高，但準晶區(qū)和非晶區(qū)取向度的變化規(guī)律不一樣。準晶區(qū)比非晶區(qū)能獲得更高的取向。實驗結果：Fx=0.85左右，Fa=0.65左右。（6）后處理過程中PAN纖維序態(tài)和取向的演變規(guī)律第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四拉伸過程的特點

拉伸可以改善分子鏈延纖維軸向的取向合適的溶劑可以減弱偶極力的作用凝膠態(tài)纖維比完全凝固纖維的拉伸得到更高取向。幾個不同凝固劑含量的浴槽多次拉伸，有利于提高取向度。拉伸比增加，環(huán)化活化能及起始溫度下降

第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四取向聚合物材料中除了傳統意義的結晶區(qū)和非結晶區(qū)的概念外，取向非晶區(qū)的含量是影響其結構和力學性能的關鍵因素，擬利用二維的X射線散射圖形和偏光紅外或偏光拉曼光譜等特殊手段對其進行定量表征。微孔、裂紋、纖維徑向或軸向的不均一性等偏離理想狀態(tài)的實際缺陷對力學性能影響極大，擬采用小角X射線散射對纖維中微孔等進行定量分析，采用干涉顯微鏡及偏光顯微鏡等手段對纖維徑向取向差異和皮芯結構進行研究，以及利用X射線光電子能譜、高分辨電鏡、原子力顯微鏡等對纖維表面狀態(tài)、缺陷、其它化學成分的附著加以研究。第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四表征方法用互為補充的溶脹DSC和X射線衍射法測定PAN纖維的二維側向鍵合結構。通過雙折射、聲速、X-射線衍射、染色二色性等方法研究原絲不同結構單元（鏈段、大分子、準晶區(qū)、非晶區(qū)）的取向規(guī)律。用干涉顯微鏡研究原絲在后處理過程中沿徑向的取向分布梯度。取向非晶區(qū)的含量是影響其結構和力學性能的關鍵因素，擬利用二維的X射線散射圖形和偏光紅外或偏光拉曼光譜等特殊手段對其進行定量表征。第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四預氧化（穩(wěn)定化）

第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

原絲的化學結構發(fā)生變化，轉化成為可以承受高溫處理的梯形高分子結構，其很大程度上決定了纖維的最終結構及其最終的力學性質。主要發(fā)生的反應為脫氫、環(huán)化及氧化反應。脫氫反應發(fā)生在環(huán)化之前，但是有可能延續(xù)到環(huán)化反應中或環(huán)化反應之后。環(huán)化反應又是穩(wěn)定化中最關鍵的一步。

穩(wěn)定化反應——關鍵的一步第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四PAN原絲熱氧化穩(wěn)定化中各反應順序

第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四原料單體聚合紡絲預氧化炭化石墨化原絲預氧絲表面處理上漿成品加工碳纖維石墨纖維第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四環(huán)化反應原絲的顏色白色黃色棕色黑色碳－氮雙鍵發(fā)展的原因環(huán)化反應依賴于聚合物中已經存在的起始中心。另一種說法認為是由氧的攻擊而引起。純聚體PAN的環(huán)化反應是由游離基機理所引發(fā)，而共聚體則由離子型機理所引發(fā)。但是穩(wěn)定化產物的結構相差不大。第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

環(huán)化反應在整個分子鏈上不是連續(xù)發(fā)生的。因此在聚合物分子鏈的無定型區(qū)會留下一些未環(huán)化鏈節(jié)。這些鏈節(jié)便成為斷鏈點及導致纖維失重的裂解揮發(fā)物的起源。失重取決于已環(huán)化序列的長度的平均值及裂解碎片的揮發(fā)性。

PAN纖維在空氣中的預熱，會引起脫氫反應，而導致主鏈上雙鍵的形成，從而賦予主鏈更高的穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定化過程影響較大的因素有：纖維上的張力、熱處理溫度、介質及預穩(wěn)定化處理等。

第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四原料單體聚合紡絲預氧化炭化石墨化原絲預氧絲表面處理上漿成品加工碳纖維石墨纖維第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四原料單體聚合紡絲預氧化炭化石墨化原絲預氧絲表面處理上漿成品加工碳纖維石墨纖維第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四真空狀態(tài)下用傅立葉IR研究穩(wěn)定化反應中所發(fā)生的環(huán)化初始反應。發(fā)現存在一個被X-陰離子引發(fā)的反應，此陰離子可能起源于雜質或裂變產物。環(huán)化反應包含著氰基的齊聚反應。氰基的三鍵變成雙鍵，并且氰基的氮與主鏈上下一個氰基的碳原子形成碳－氮鍵。熱處理中環(huán)化反應在PAN的幾個點上開始并且不斷發(fā)展，直到達到另一個共軛或環(huán)化鏈節(jié)停止為止。第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四張力對穩(wěn)定化的影響

化學收縮——穩(wěn)定化中的化學反應，導致梯形聚合物的生成收縮的速率與收縮量的大小取決于周圍介質、處理溫度、施加張力、對原絲的拉伸大小等各種因素的影響。

物理收縮——被拉伸及驟冷，材料熵回復的物理收縮因為大分子松弛，產生的纖維收縮。物理收縮對環(huán)化及其它反應有重要作用。熱處理過程中，當分子鏈松弛及發(fā)生物理收縮時，氰基的規(guī)整排列結構受到破壞，適當的張力施加張力可以避免分子的收縮。

第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四加熱的影響

傳質、傳熱及收縮是穩(wěn)定化過程中發(fā)生的三個主要現象。各種放熱反應的出現而發(fā)生傳熱。PAN是一個熱的不良導體，穩(wěn)定化反應中產生的熱會導致纖維的損壞。因此為了避免PAN纖維因過熱而產生斷鏈等現象，穩(wěn)定化過程中采用低的加熱速率是勢在必行的。介質的影響原絲在氧化性氣氛中比惰性氣氛中能得到更好的碳纖維。根據DTA放熱曲線計算的動力學數據,表明在氧化性氣氛中熱處理情況下的穩(wěn)定化反應活化能比惰性氣氛中的要高。空氣介質中反應時其－CN基的消失速率高于惰性氣氛中的，氧幫助了－CN基的反應，導致了梯形聚合物的形成。

第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)定化纖維的結構

不同作者對PAN氧化物提出的結構模型

結構演變及結構表征第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)定化新工藝

發(fā)現一個小而很寬的放熱最大值，它開始于300℃終止于400℃，其中心最大值在350℃處。這時才被很好穩(wěn)定化。發(fā)現纖維中發(fā)生了額外的芳構化反應及分子間的交聯反應。導致了穩(wěn)定化纖維中高度取向及緊密結構單元的形成。分子鏈受到了沿纖維軸向的重排、重取向及增強，引起保持距離為6.8?的有限尺寸的離散重復單元的封入。此重復單元的數量及大小均隨穩(wěn)定化溫度的提高而增加。

300-400℃氧氣氛穩(wěn)定化中的芳構化反應第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四通過脫除HCN而達成芳構化的示意圖熱穩(wěn)定化PAN纖維的結構

第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四碳化第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四1500℃的熱處理所有非碳元素均以適當形式的副產物而消除，并形成了類石墨結構。碳化階段兩段方式的升溫速率至關重要第一段低于600℃需低升溫速率，（小于5℃/min）因為這一段包含大部分化學反應及揮發(fā)性產物的逸散，所以十分重要。較高的升溫速率其傳質過程較快，在纖維表明產生氣孔或不規(guī)則的形態(tài)。第二段600℃-1500℃的溫區(qū)，可以較快的速率進行。此加熱段包括N2,HCN及H2等氣體的揮發(fā)。引起揮發(fā)聚合物鏈分子間交聯。交聯中，一環(huán)化序列的碳原子裝入了相鄰序列已揮發(fā)的氮原子留下的空間。這幫助了橫向類石墨結構的生長。

第62頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)定化纖維通過含氧基團的分子間交聯

第63頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四保護氣氛為避免如此高溫下碳的氧化，碳化必須在惰性氣氛保護下進行。可以采用N2、Ar2/及其它非氧化性介質如HCl,BBr3及ZnO等氣體。氣體的純度要求很