成果简介

很少有人关注研究中间相沥青碳化过程中的压力及其对所生产的碳纤维机械性能的影响。本文,清华大学赵海燕教授、臧浠凝助理教授等研究人员在《J. Phys. Chem. Lett》期刊发表名为“Pressure-Strengthened Carbon Fibers from Mesophase Pitch Carbonization Processes”的论文,究使用基于反应力场的全原子模拟研究了中间相沥青的压力增强石墨化和所生产的碳纤维的促进拉伸应力。结果表明,在 1-6GPa 的各向同性压缩压力下,压力使所生产的纤维的拉伸应力增加了3.7-11倍。炭化煤沥青在4000 K、6GPa下的最高拉应力可达4.39 GPa。在实验工作中,加压激光加工的中间相沥青产生的气体较少,并且在拉曼光谱中显示出更有序的碳化结构。

图文导读


图1. (A) 石油衍生沥青 (PP, C24 H16 ) 分子消耗率在受限体积和NVT集合中加热到不同温度。

(B) 煤焦油衍生沥青 (CTP, C22 H12 ) 分子消耗率在受限体积和 NVT集合中加热到不同温度。在 4000K时,两种反应物主要在30和33ps下消耗。
(C) PP (C24 H 16 ) 分子消耗率在1到6GPa的不同压力下加热到4000K。
(D) CTP (C22 H 12 ) 分子消耗率在 1 到 6 GPa 的不同压力下加热到4000K。
(E) 由 PP (C 24 ) 分解的轻质(气体)副产品16 )。
(F) 从 CTP (C22 H 12 ) 分解的气体副产品。


图2. (A) 196 PP (C 24 H 16 ) 分子的 CF 产率随时间的变化。

(B) 196 CTP (C 22 H 12 )的CF产量。
(C) 来自 196 PP (C 24 H 16 ) 分子的 CF 的 H:C 比率随时间的变化。
(D) 来自 196 个 CTP (C 22 H 12 ) 分子的 CF 的 H:C 比率。
(E) 来自 196 个 PP(C 24 H 16 ) 分子的 CF 的 C-C 径向对分布函数 (RDF) 。
(F) 来自 196 个 CTP(C 22 H 12 ) 分子的 CF 的 C-C RDF。
(G) 初始体系和 196 PP(C 24 H 16 ) CF 的 XRD 谱) 分子。
(H) 初始系统和 196 个 CTP(C 22 H 12 ) 分子的 CF 的 XRD 光谱。曲线“NVT”对应于作为对照组(无固定压力)的 NVT 集合中的前体。


图3. (A) 196 PP (C 24 H 16 ) 分子的 CF 应力-应变曲线。(B) 来自 196 个 CTP (C 22 H 12 ) 分子的 CF 应力-应变曲线。(C) 196 PP(C 24 H 16 ) 分子在CF 中的拉伸断裂的可视化。(D) 196 个 CTP (C 22 H 12 ) 分子在 CF 中的拉伸断裂的可视化。曲线“NVT”对应于作为对照组(无固定压力)的 NVT 集合中的前体。


图4. 实验结果



文献:

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c00664

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