[發(fā)明專利]具有改善的強(qiáng)度和模量的碳纖維及其相關(guān)制造方法和設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110100108.4
• 申請(qǐng)日: 2007-11-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102212897A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 卡洛斯·A·利奧尼利昂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 赫克賽爾公司
• 主分類號(hào): D01F9/22
• 分類號(hào): D01F9/22;D01F9/32
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 吳培善

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2007年11月07日、申請(qǐng)?zhí)枮?00780043502.0(PCT/US2007/083886)、題目為“具有改善的強(qiáng)度和模量的碳纖維及其相關(guān)制造方法和設(shè)備”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及碳纖維，更具體地涉及具有改善的強(qiáng)度和模量的碳纖維，以及制造該碳纖維的方法和設(shè)備。

發(fā)明背景

各種結(jié)構(gòu)性應(yīng)用和行業(yè)鑒于其所需的性能而廣泛使用碳纖維。例如，碳纖維可形成結(jié)構(gòu)部件，這種結(jié)構(gòu)部件結(jié)合了高強(qiáng)度和高剛度，同時(shí)具有明顯輕于具有同等性能的金屬部件的重量?？赏ㄟ^(guò)使前體纖維如紡成聚丙烯腈(PAN)纖維在多步工藝中進(jìn)行轉(zhuǎn)變來(lái)制造碳纖維，在所述多步工藝中對(duì)前體纖維進(jìn)行加熱、氧化和碳化，以制造含碳90％或以上的纖維。所得碳纖維可模制成用于結(jié)構(gòu)性應(yīng)用的高強(qiáng)度復(fù)合材料，可以其純的形式用于電學(xué)和摩擦應(yīng)用，或者可進(jìn)一步處理以用于吸附劑、過(guò)濾器或其它應(yīng)用。具體地，已開(kāi)發(fā)出碳纖維在樹(shù)脂、陶瓷或金屬基體中作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。

碳纖維正越來(lái)越多地用作航空應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)部件。為了滿足航空工業(yè)的嚴(yán)格要求，需要不斷開(kāi)發(fā)同時(shí)具有高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的新型碳纖維。具體地，期望開(kāi)發(fā)抗拉強(qiáng)度為1,000ksi或以上且彈性模量為50Msi或以上的碳纖維。對(duì)于給定的碳纖維復(fù)合材料部件，單絲具有較高抗拉強(qiáng)度和模量的碳纖維與強(qiáng)度較低的碳纖維相比用量較少且仍可達(dá)到相同的總強(qiáng)度。因而，復(fù)合材料部件的重量較小。部件重量減小對(duì)于航空工業(yè)具有重要意義且提高了引入該部件的航空器的燃料效率。

在現(xiàn)有技術(shù)中已開(kāi)發(fā)出數(shù)種提高抗拉強(qiáng)度和模量的方法，這些方法通常具有綜合效果。例如，已知可通過(guò)升高碳化溫度來(lái)提高模量。然而，碳化溫度的升高導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。因而，該方法通常不能夠提供制造具有改善的抗拉強(qiáng)度和彈性模量的碳纖維的有效途徑。

其它方法旨在于前體纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維的工藝之前或工藝過(guò)程中對(duì)前體纖維進(jìn)行拉伸?，F(xiàn)有技術(shù)此前已認(rèn)識(shí)到，可通過(guò)在紡后步驟(post-spinning?step)、氧化步驟、碳化步驟或其組合中拉伸纖維，來(lái)改善碳纖維的模量。然而，通常認(rèn)為在氧化步驟中的拉伸量受限于化學(xué)反應(yīng)如PAN前體纖維的熱致環(huán)化和/或氧化交聯(lián)開(kāi)始時(shí)在纖維中產(chǎn)生的拉力大小。拉力的累積導(dǎo)致纖維在標(biāo)準(zhǔn)氧化條件下(例如在180℃以上)在經(jīng)受較小的拉伸時(shí)拉斷。因而，此前在氧化過(guò)程中拉伸PAN纖維的嘗試通常限于最大拉伸量或單次連續(xù)拉伸。

一些研究和現(xiàn)有參考文獻(xiàn)還表明，超過(guò)初始或最大拉伸的增量對(duì)性能產(chǎn)生極小(如果有的話)的增益，事實(shí)上可能實(shí)際造成纖維拉斷或受損。例如，美國(guó)專利No.4,609,540描述了在氧化氣氛下施加于前體纖維的最佳拉伸的確定方法。根據(jù)專利′540，最佳拉伸量對(duì)應(yīng)于可根據(jù)％伸長(zhǎng)率與拉力的關(guān)系曲線圖確定的拐點(diǎn)(inflection?point)，最佳伸長(zhǎng)率也大致對(duì)應(yīng)于纖維內(nèi)的最大結(jié)晶取向度(degree?of?crystalline?orientation)。專利′540教導(dǎo)了，超過(guò)該拐點(diǎn)時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步拉伸獲得的任何增益極小并可能導(dǎo)致起毛(fluff)和拉斷。

因而，需要同時(shí)具有高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的碳纖維，以及可用于制造這種碳纖維的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供具有改善的強(qiáng)度和模量的碳纖維以及可用于制造所述碳纖維的方法和設(shè)備。在一種實(shí)施方案中，該方法包括使前體纖維行進(jìn)通過(guò)氧化爐，在氧化爐中纖維在氧化氣氛下經(jīng)受可控拉伸，其中拉力負(fù)荷分布在穿行氧化爐的多條路徑中。因而，可通過(guò)選擇允許拉力負(fù)荷分布在多條路徑中的拉伸條件，提高纖維的總累積拉伸。拉力負(fù)荷分布在多條路徑中允許拉伸纖維達(dá)到超過(guò)先前預(yù)期的程度。氧化過(guò)程中纖維的可控拉伸例如可有助于改善取向性、均勻氧化以及減少缺陷造成的微晶(flaw-inducing?crystallite)的生長(zhǎng)，進(jìn)而可改善所得碳纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度。