质子辐照调控聚丙烯腈纤维结构：突破热氧化稳定化瓶颈的新策略

针对聚丙烯腈(PAN)纤维热氧化稳定化过程中耗时长、效率低、放热剧烈等问题，研究人员通过质子与电子束辐照对比实验，发现质子辐照能更有效破坏纤维晶区结构、促进氧扩散，形成纵向融合微孔结构，并与热处理协同诱导更高石墨化度，为高性能碳纤维制备提供新思路。

　　

在碳纤维制备领域，聚丙烯腈(PAN)纤维的热氧化稳定化过程一直是制约生产效率的瓶颈。传统阶梯升温法不仅耗时耗能，还会因剧烈的放热反应导致纤维皮芯结构不均，最终影响碳纤维性能。虽然γ射线和电子束辐照技术已被尝试用于优化该过程，但穿透深度不足和微孔结构缺陷等问题始终未能解决。

中国散裂中子源(CSNS)质子束实验平台的研究团队另辟蹊径，首次系统比较了质子与电子束辐照对PAN纤维的改性效果。研究发现，在相同吸收剂量100 kGy条件下，质子凭借更高的线性能量转移(LET)特性，能更深度破坏纤维结晶区、扩大晶面间距，同时显著增强非晶区氧扩散能力，形成独特的纵向微孔融合结构。这种定向调控能力使质子辐照与热处理产生协同效应，不仅缓解了环化放热峰，还促进了更有序石墨化结构的形成。

研究采用多尺度表征技术：小角X射线散射(SAXS)解析微孔结构演变，广角X射线衍射(WAXD)监测晶区变化，傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)追踪化学基团转化，结合差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)评估热行为。实验样本采用吉林化纤集团提供的直径12.54 μm的PAN纤维，在室温空气环境中完成辐照。

【表面形态变化】
颜色分析显示质子辐照样品热处理后呈现更深的棕褐色，表明其氧化程度更高。扫描电镜观察到质子辐照纤维表面形成连续沟槽结构，而电子束处理样品仅出现离散孔洞。

【结晶结构演变】
X射线衍射证实质子辐照使(100)晶面间距从0.52 nm增至0.55 nm，结晶度下降23%，显著高于电子束处理的9%降幅。这种晶格膨胀效应为氧扩散提供了更多通道。

【微孔结构调控】
SAXS数据显示质子辐照诱导的微孔长径比提升至3.8，且纵向融合形成贯通结构，而电子束处理组微孔保持各向异性分布。这种定向排列有利于后续碳化过程中应力传递。

【热性能改善】
DSC曲线显示质子辐照使环化放热峰温度降低14°C，放热量减少31%，表明其有效缓解了热氧化过程中的剧烈反应。TGA证实质子处理样品在800°C残炭率提高至58%，石墨化度(G值)达0.72。

该研究首次揭示了质子辐照在PAN纤维改性中的三重优势：深度交联能力、微孔定向调控特性和优异的协同热处理效应。相比传统电子束技术，质子辐照不仅能缩短50%以上的预氧化时间，还可通过形成纵向贯通孔道结构减少碳化缺陷，为制备拉伸强度超过5.8 GPa的高性能碳纤维开辟了新路径。论文成果发表于《Radiation Physics and Chemistry》，为辐照技术在碳纤维工业化生产中的应用提供了重要理论支撑。