炭纤维因优异的力学性能和化学稳定性而被认为是一种十分优良的增强材料。为了得到高强度及高模量的炭纤维,十分有必要提高炭纤维的石墨化度。石墨化是利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化,因此,在石墨化过程中,要使用高温热处理(HTT)对原子重排及结构转变提供能量。为了使难石墨化炭材料的石墨化度得到提高,可以使用添加催化剂方法,称为催化石墨化。本文以聚丙烯腈基(PAN基)炭纤维为研究对象,开展了炭纤维的催化石墨化研究。(1)许多因素影响炭材料的催化石墨化性能,其中催化剂的分散,即炭材料与催化剂表面接触是其中的关键因素,因此催化剂的添加方式对炭材料的最终石墨化度有着较大影响,好的分散可以提高石墨化度。本文采用一种简单的方法在PAN基炭纤维的表面获得高分散的锰氧化物。以高锰酸根为氧化剂,利用炭纤维及高锰酸根离子的氧化还原反应在炭纤维表面自发沉积锰氧化物层,而后进行高温石墨化处理,实现了PAN基炭纤维的催化石墨化。利用X射线衍射仪(XRD),拉曼光谱仪,扫描电子显微镜(SEM)等方法对锰氧化物附着炭纤维的高温催化石墨化进行分析表征。作为对比,也对未经处理炭纤维的高温石墨化进行了考察。结果显示:锰氧化物覆层的催化作用大大加速了PAN基炭纤维的石墨化过程。在1600℃下热处理就能得到高石墨化度炭纤维。同时本文也研究了锰氧化物沉积参数和热处理温度对PAN基炭纤维石墨化的影响。(2)有大量文献已经报道过Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ca, Ti, V, Mo, W和B等元素的催化石墨化效果,但是稀土元素对难石墨化炭的催化石墨化却少有研究。本文通过电镀钇及液体浸渍分散硝酸镧实现稀土元素在PAN基炭纤维上的分散沉积。利用XRD,拉曼光谱测试研究催化剂含量及石墨化温度的影响。结果发现一定量稀土元素能在2000~2400℃温度范围内迅速地提高炭纤维的石墨化度。(3)利用等离子体技术在改变放电功率与处理时间的条件下前处理PAN基炭纤维,然后再进行硼高温催化石墨化。SEM、X射线衍射XRD、拉曼光谱研究了等离子处理对炭纤维的石墨化性能影响。据SEM结果显示经等离子处理后炭纤维的结构有所变化,实验结果表明此变化有利于硼更深层次地浸入,能更好的实现PAN炭纤维的催化石墨化的影响。XRD与拉曼光谱方法分析了不同等离子体强度对PAN炭纤维的催化石墨化,发现适宜的等离子强度能有效地改善炭纤维的石墨化,而强度过大的等离子作用会刻蚀掉完整稳定的石墨晶型,对石墨化反而产生不利影响。