碳纤维及其复合材料以其高比强度、高比模量、低密度、耐腐蚀、耐高温等优异的性能在各个领域得到广泛的应用,而PAN基碳纤维又由于综合性能好、生产工艺简单等优点而占据了碳纤维总产量的90%以上。其中纤维预制体的形式很大程度上决定了复合材料的性质,整体针刺法是使用针刺机对胚体进行针刺形成三维针刺结构的一种方法,既解决了树脂粘结法层间剪切强度低,整体密度及性能不均匀等缺点,又克服了3D编制结构工艺复杂,周期长等不足,是一种很有发展前景的预制体制备方法。本文使用整体针刺法制备了PAN基预氧丝针刺毡,并研究了通过元素分析、拉伸试验、扫描电镜、FTIR分析、质量密度分析、反应原理分析等方法研究了预氧丝针刺毡在碳化过程中发生的反应、热行为及不同工艺参数对碳纤维针刺毡性能的影响,并做了实验室及工业生产条件下的工艺优化。研究结果表明：低温碳化过程中,预氧化纤维中会残留未环化的线型分子会发生部分二次环化及链间交联反应。高温碳化阶段,梯形结构的聚合物进行交联和芳环化,环化单元形成的平面互相连接进而构成六元环结构的共轭平面层,碳基面随温度的升高持续生长,最终在PAN纤维内部形成了类石墨结构。针刺过程中影响毡体密度的因素有针刺主轴频率与牵引夹辊移动速度,通过调整着这两个参数可以获得不同密度的预氧丝针刺毡。Z向力学性能的提高是在牺牲一部分X-Y向力学性能的前提下实现的。碳化过程中,纤维发生收缩卷曲导致毡体的强度下降,纤维直径的减小也对毡体性能有一定的影响。毡体体积收缩率弱于质量收缩率,而密度的变化与质量的变化较为一致。碳化温度达到1000℃后纤维中C的含量都超过了90%,在成分上是合格的碳纤维,生产过程中碳化温度的选择可以根据实际需求而定,需要权衡元素含量与产率、力学性能之间的利弊。使用较缓慢的升温速率,会使碳化反应进行的更彻底,碳元素含量提高,毡体失重增加,但升温速率对碳化质量得率的影响弱于碳化温度。相比碳化温度,升温速率对碳纤维针刺毡X-Y向的拉伸强度影响很弱,升温速率的选取需要权衡元素含量与产率之间的利弊。在本实验条件下,保温时间不是一个重要的工艺参数。但在实际生产中,需要考虑热透性的问题,主要原则是碳化所得的毡体在成分与结构上均匀。PAN基碳纤维针刺毡表明出具有良好的破坏抗性和假塑性。
