.910 北京科技大学学报 第35卷 后，聚合物结构逐步向乱层石墨结构转化.在热重 维的质量有关.图中图谱d为PAN预氧化纤维的 曲线上，0102℃温度区间的快速失重是由于PAN X射线衍射图谱，出现在20=16.5°和20=22.4°的 预氧化纤维吸潮的水分蒸发所引起：102~444℃温 衍射峰，分别为未发生环化反应残留的PAN分子 度区间纤维失重曲线趋于平缓，说明预氧化纤维已 相和经交联裂解反应后生成的耐热梯形结构相：出 经形成了耐热的梯形结构：444~1300℃温度区间， 现在20=25.7°的衍射峰为有一定纤维特征的环化 随着反应小分子的脱出，纤维几乎匀速失重 相衍射峰15. 3500 2.3烧结工艺参数确定 根据图2中PAN预氧化纤维的差热分析结果， 20 3000 TG 10 444℃ 并结合考虑Al203粉体的烧结2，故选择在444℃ 25009 和1073℃保温10mim,升温至1700℃，保温120 出 2000 -10102℃ DTA min,以使PAN预氧化纤维平稳转化为碳纤维.图 20 500 4为优化后的烧结工艺参数曲线图.真空热压烧结 3 1073℃ 与真空无压烧结两种制备工艺均采用此升温制度 1000 200 4006008001000120 1800 温度/℃ 1500 图2PAN预氧化纤维的热重-差热图谱 1400F Fig.2 TG/DTA pattern of the pre-oxidized PAN fibers 1200 1000 2.2X射线衍射分析 800 对PAN预氧化纤维及其高温碳化后形成的碳 600 纤维、AF20和AF25进行X射线衍射分析，结果如 400 图3所示.由图3可以看出，AF20和AF25在碳纤 200 维对应的衍射峰(20在25°~26°之间)处出现明显 0 0 50 100150200250300350400 的衍射峰，同时也出现了氧化铝衍射峰，碳纤维衍 时间/min 射峰和氧化铝衍射峰在此处重合不能明显区分.因 图4复合材料的烧结工艺 此可以说明试样AF20和AF25经过烧结PAN预 Fig.4 Sintering process of the composites 氧化纤维可以转化为碳纤维.图谱c为碳化后纤维 的X射线衍射图谱，该图谱表现为非晶特性，在 2.4 真空热压烧结后复合材料的组织形貌 20=25.8°时出现明显的特征衍射峰，经查该特征峰 对烧结后试样的表面进行了扫描电镜(SEM) 属于乱层石墨相(002)2,1，符合相关文献[14指 观察，试样AF15、试样AF20和试样AF25的观 出的碳化后碳纤维的X射线衍射图谱中的衍射峰 察结果分别如图5(a)、(b)和(c)所示.由图5(a)可 位置在25°~26°之间，其峰位置与PAN预氧化纤 以看出，试样AF15由于含纤维量较少，经烧结后 纤维比较分散.由图5(b)可以看出，试样AF20中 A1O a-AF25 b-AF20 纤维含量适中，经烧结后纤维较为均匀的分布在氧 +-C Cc-碳纤维 d-PAN预氧化纤维 化铝基体内，没有出现团聚现象.由图5(c)可以看 出，由于试样AF25中含纤维较多，经烧结后纤维 在基体内发生了团聚现象.因此可知本实验PAN预 氧化纤维在氧化铝基体中可以均匀分布的最大体积 分数为20%，当预氧化纤维体积分数超过20%后烧 结样中将发生纤维团聚现象，不利于形成均匀的复 合材料. 1020 30 4050 60 70 80 20/() 2.5无压与压力烧结对复合材料密度和显微硬度 图3PAN预氧化纤维、碳纤维及复合材料的X射线衍射图 的影响 将试样AF20分别进行无压及压力烧结，对比 Fig.3 XRD patterns of pre-oxidized PAN fibers,carbon 烧结后复合材料的密度及平均显微硬度，结果如表 fibers and composites 3所示.由表3中数据可知，无压烧结得到复合材· 910 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 后，聚合物结构逐步向乱层石墨结构转化. 在热重 曲线上，0∼102 ℃温度区间的快速失重是由于 PAN 预氧化纤维吸潮的水分蒸发所引起；102∼444 ℃温 度区间纤维失重曲线趋于平缓，说明预氧化纤维已 经形成了耐热的梯形结构；444∼1300 ℃温度区间， 随着反应小分子的脱出，纤维几乎匀速失重. 图 2 PAN 预氧化纤维的热重–差热图谱 Fig.2 TG/DTA pattern of the pre-oxidized PAN fibers 2.2 X 射线衍射分析 对 PAN 预氧化纤维及其高温碳化后形成的碳 纤维、AF20 和 AF25 进行 X 射线衍射分析，结果如 图 3 所示. 由图 3 可以看出，AF20 和 AF25 在碳纤 维对应的衍射峰 (2θ 在 25◦ ∼26◦ 之间) 处出现明显 的衍射峰，同时也出现了氧化铝衍射峰，碳纤维衍 射峰和氧化铝衍射峰在此处重合不能明显区分. 因 此可以说明试样 AF20 和 AF25 经过烧结 PAN 预 氧化纤维可以转化为碳纤维. 图谱 c 为碳化后纤维 的 X 射线衍射图谱，该图谱表现为非晶特性，在 2θ=25.8◦ 时出现明显的特征衍射峰，经查该特征峰 属于乱层石墨相 (002)[12,15]，符合相关文献 [14] 指 出的碳化后碳纤维的 X 射线衍射图谱中的衍射峰 位置在 25◦ ∼26◦ 之间，其峰位置与 PAN 预氧化纤 图 3 PAN 预氧化纤维、碳纤维及复合材料的 X 射线衍射图 谱 Fig.3 XRD patterns of pre-oxidized PAN fibers, carbon fibers and composites 维的质量有关. 图中图谱 d 为 PAN 预氧化纤维的 X 射线衍射图谱，出现在 2θ=16.5◦ 和 2θ=22.4◦ 的 衍射峰，分别为未发生环化反应残留的 PAN 分子 相和经交联裂解反应后生成的耐热梯形结构相；出 现在 2θ=25.7◦ 的衍射峰为有一定纤维特征的环化 相衍射峰[15] . 2.3 烧结工艺参数确定 根据图 2 中 PAN 预氧化纤维的差热分析结果， 并结合考虑 Al2O3 粉体的烧结[12]，故选择在 444 ℃ 和 1073 ℃保温 10 min，升温至 1700 ℃，保温 120 min，以使 PAN 预氧化纤维平稳转化为碳纤维. 图 4 为优化后的烧结工艺参数曲线图. 真空热压烧结 与真空无压烧结两种制备工艺均采用此升温制度. 图 4 复合材料的烧结工艺 Fig.4 Sintering process of the composites 2.4 真空热压烧结后复合材料的组织形貌 对烧结后试样的表面进行了扫描电镜 (SEM) 观察，试样 AF15、试样 AF20 和试样 AF25 的观 察结果分别如图 5(a)、(b) 和 (c) 所示. 由图 5(a) 可 以看出，试样 AF15 由于含纤维量较少，经烧结后 纤维比较分散. 由图 5(b) 可以看出，试样 AF20 中 纤维含量适中，经烧结后纤维较为均匀的分布在氧 化铝基体内，没有出现团聚现象. 由图 5(c) 可以看 出，由于试样 AF25 中含纤维较多，经烧结后纤维 在基体内发生了团聚现象. 因此可知本实验 PAN 预 氧化纤维在氧化铝基体中可以均匀分布的最大体积 分数为 20%，当预氧化纤维体积分数超过 20%后烧 结样中将发生纤维团聚现象，不利于形成均匀的复 合材料. 2.5 无压与压力烧结对复合材料密度和显微硬度 的影响 将试样 AF20 分别进行无压及压力烧结，对比 烧结后复合材料的密度及平均显微硬度，结果如表 3 所示. 由表 3 中数据可知，无压烧结得到复合材