聚丙烯腈纖維的取向結(jié)構(gòu)是影響纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。在碳纖維制備過程中，聚丙烯腈纖維高分子鏈取向結(jié)構(gòu)經(jīng)歷熱穩(wěn)定化過程，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，影響進(jìn)一步碳化過程生成的石墨微晶結(jié)構(gòu)，從而對終極碳纖維性能產(chǎn)生影響。聚丙烯腈(PAN)纖維取向結(jié)構(gòu)在熱穩(wěn)定化過程中的演變規(guī)律及取向結(jié)構(gòu)對熱穩(wěn)定化反應(yīng)程度及反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究分析，揭示了取向結(jié)構(gòu)影響熱穩(wěn)定化反應(yīng)的機(jī)理及影響特點；并通過外力場牽伸改變?nèi)∠蚪Y(jié)構(gòu)，研究該過程對熱穩(wěn)定化反應(yīng)及生成碳纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響，揭示了牽伸誘導(dǎo)取向?qū)岱€(wěn)定化特征結(jié)構(gòu)及碳纖維性能的影響關(guān)系，為高性能碳纖維的結(jié)構(gòu)可控性制備提供了機(jī)理依據(jù)。

聚丙烯腈(PAN)纖維取向結(jié)構(gòu)在熱穩(wěn)定化過程中的演變規(guī)律主要受到分子鏈側(cè)氰基環(huán)化反應(yīng)的影響。發(fā)生在非晶區(qū)的環(huán)化反應(yīng)促進(jìn)體系內(nèi)應(yīng)力增加，能夠誘導(dǎo)晶區(qū)分子鏈進(jìn)一步取向重排，導(dǎo)致晶區(qū)取向度增大；相應(yīng)的，環(huán)化應(yīng)力還能誘導(dǎo)近晶區(qū)分子鏈段規(guī)整重排形成晶區(qū)，導(dǎo)致結(jié)晶度和晶粒尺寸小幅增大。時溫效應(yīng)對環(huán)化反應(yīng)影響顯著，導(dǎo)致不同時間溫度環(huán)化應(yīng)力誘導(dǎo)PAN纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化存在差異：熱處理180℃時，環(huán)化反應(yīng)程度較低，環(huán)化應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶和晶區(qū)取向現(xiàn)象不明顯；200℃熱處理30min后，隨著環(huán)化反應(yīng)程度提高向現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)；220℃熱處理初期，劇烈的環(huán)化反應(yīng)使得應(yīng)力 誘導(dǎo)結(jié)晶和晶區(qū)取向現(xiàn)象更加明顯，影響PAN纖維結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶區(qū)取向度短時間內(nèi)迅速增長，但隨著熱處理時間延長，晶區(qū)分子鏈逐漸參與環(huán)化反應(yīng)，原有晶態(tài)規(guī)整結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致 220℃熱處理 30min后，晶態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)逐漸減?。?/span>240℃熱處理時，纖維非晶區(qū)和晶區(qū)分子鏈短時間內(nèi)迅速參與環(huán)化反應(yīng)，結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶區(qū)取向度均顯著降低?？諝鈿夥諢岱€(wěn)定化反應(yīng)中，由于環(huán)境介質(zhì)氧對環(huán)化反應(yīng)有催化作用，顯著縮短了環(huán)化反應(yīng)誘導(dǎo)期，導(dǎo)致PAN纖維晶態(tài)結(jié)構(gòu)和取向結(jié)構(gòu)演變特征溫度向低溫方向推移。PAN纖維取向結(jié)構(gòu)影響熱穩(wěn)定化反應(yīng)放熱行為，熱穩(wěn)定化反應(yīng)初期，纖維取向結(jié)構(gòu)對反應(yīng)有抑制作用，取向度較大的纖維，初始熱穩(wěn)定化反應(yīng)放熱量相對較低；隨熱處理溫度升高，取向分子鏈逐漸參與化學(xué)反應(yīng)，取向結(jié)構(gòu)對反應(yīng)的抑制作用不斷減弱；熱穩(wěn)定化反應(yīng)中后期，取向結(jié)構(gòu)越規(guī)整的纖維，熱穩(wěn)定化反應(yīng)放熱相對更加劇烈。

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