Molecular modeling of the microstructure evolution during carbon fiber processing

微观结构 材料科学 聚丙烯腈 纤维 模数 分子动力学 复合材料 多孔性 动力学蒙特卡罗方法 碳化 蒙特卡罗方法 聚合物 扫描电子显微镜 计算化学 化学 统计 数学
作者
Saaketh Desai,Chunyu Li,Tongtong Shen,Alejandro Strachan
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:147 (22): 224705-224705 被引量:36
标识
DOI:10.1063/1.5000911
摘要

The rational design of carbon fibers with desired properties requires quantitative relationships between the processing conditions, microstructure, and resulting properties. We developed a molecular model that combines kinetic Monte Carlo and molecular dynamics techniques to predict the microstructure evolution during the processes of carbonization and graphitization of polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers. The model accurately predicts the cross-sectional microstructure of the fibers with the molecular structure of the stabilized PAN fibers and physics-based chemical reaction rates as the only inputs. The resulting structures exhibit key features observed in electron microcopy studies such as curved graphitic sheets and hairpin structures. In addition, computed X-ray diffraction patterns are in good agreement with experiments. We predict the transverse moduli of the resulting fibers between 1 GPa and 5 GPa, in good agreement with experimental results for high modulus fibers and slightly lower than those of high-strength fibers. The transverse modulus is governed by sliding between graphitic sheets, and the relatively low value for the predicted microstructures can be attributed to their perfect longitudinal texture. Finally, the simulations provide insight into the relationships between chemical kinetics and the final microstructure; we observe that high reaction rates result in porous structures with lower moduli.
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