[發(fā)明專利]一種具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維及其原絲和制備方法

在審

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• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108221090A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高峰閣;胡琪;周玉柱;康延濤
• 申請（專利權(quán)）人: 西安天運新材料科技有限公司
• 主分類號: D01F9/145
• 分類號: D01F9/145
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

本發(fā)明提供一種具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維及其原絲和制備方法，所制備的中間相瀝青基碳纖維具有芯部呈輻射狀外部呈洋蔥形的混合型橫截面結(jié)構(gòu)，既保持了較高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，又具有高的熱導(dǎo)率。采用噴絲孔長徑比為(3?5):1的噴絲板對中間相瀝青進(jìn)行紡絲，得到中間相瀝青原絲；中間相瀝青原絲經(jīng)預(yù)氧化、碳化及石墨化處理，得到具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維及其原絲和制備方法。

背景技術(shù)

中間相瀝青基碳纖維具有不同的橫截面結(jié)構(gòu)，包括洋蔥形、輻射狀和褶皺形等。這個差異在微觀上反映了中間相瀝青基碳纖維截然不同的微晶尺寸和石墨化程度，在宏觀上導(dǎo)致中間相瀝青基碳纖維力學(xué)性能和熱導(dǎo)率各不相同。橫截面結(jié)構(gòu)對中間相瀝青基碳纖維的力學(xué)性能尤其是抗拉強(qiáng)度的影響較為明顯：洋蔥形橫截面結(jié)構(gòu)在斷裂過程中裂紋發(fā)生連續(xù)的偏轉(zhuǎn)，更能有效地抵抗裂紋擴(kuò)展，有助于提升中間相瀝青基碳纖維的抗拉強(qiáng)度；而全輻射狀橫截面結(jié)構(gòu)容易使斷裂裂紋沿纖維片層方向迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致中間相瀝青基碳纖維“崩塌式”斷裂，影響中間相瀝青基碳纖維的拉伸強(qiáng)度；另外，在碳化和石墨化過程中，徑向輻射狀微晶片層收縮時容易產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致纖維產(chǎn)生縱向劈裂，也會導(dǎo)致纖維低強(qiáng)度斷裂。在熱導(dǎo)率的影響方面：輻射狀或平面狀的片層比褶皺狀更容易石墨化，石墨化程度越高，晶格缺陷越少，晶格尺寸越大，熱導(dǎo)率就越大。褶皺度較高的無規(guī)狀、洋蔥形片層不易石墨化，因而熱導(dǎo)率也就低；洋蔥形的中間相瀝青基碳纖維在不熔化過程中容易阻擋氧向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，芯部預(yù)氧化程度較低，在后續(xù)的碳化過程中因氧化交聯(lián)程度不夠造成芯部出現(xiàn)熔融狀態(tài)，以及產(chǎn)生大量的孔洞等缺陷也導(dǎo)致熱導(dǎo)率偏低。

綜合以上分析，洋蔥形的橫截面結(jié)構(gòu)有助于拉伸強(qiáng)度的提升，輻射狀的橫截面結(jié)構(gòu)有助于熱導(dǎo)率的提升，而現(xiàn)有技術(shù)中的中間相瀝青基碳纖維均是單一橫截面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能不能兼顧的問題。因此，有必要研究一種包含這兩種橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維，以兼顧力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維及其原絲和制備方法，所制備的中間相瀝青基碳纖維具有芯部呈輻射狀外部呈洋蔥形的混合型橫截面結(jié)構(gòu)，既保持了較高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，又具有高的熱導(dǎo)率，解決了現(xiàn)有技術(shù)中因為中間相瀝青基碳纖維單一橫截面結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能不能兼顧的問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維的制備方法，包括如下步驟，

步驟一，采用噴絲孔長徑比為(3-5):1的噴絲板對中間相瀝青進(jìn)行紡絲，得到中間相瀝青原絲；

步驟二，中間相瀝青原絲經(jīng)預(yù)氧化、碳化及石墨化處理，得到具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維。

優(yōu)選的，步驟一中，中間相瀝青通過雙螺桿擠出工藝進(jìn)行紡絲。

優(yōu)選的，步驟一中，紡絲溫度為350-500℃。

優(yōu)選的，步驟二中，預(yù)氧化的具體過程為：將步驟一得到的中間相瀝青原絲在間歇式預(yù)氧化爐中進(jìn)行預(yù)氧化處理，設(shè)定25℃-200℃預(yù)氧化升溫速率為5-10℃/min，200℃-400℃的升溫速率為2-5℃/min，并在400℃恒溫穩(wěn)定30-60min，全程預(yù)氧化時間為90-300min。

優(yōu)選的，步驟二中，采用連續(xù)式碳化及石墨化處理，碳化溫度為450-1800℃，石墨化溫度為2500-3000℃。

一種采用上述任一制備方法得到的具有混合型橫截面結(jié)構(gòu)的中間相瀝青基碳纖維，芯部呈輻射狀結(jié)構(gòu)，外層呈洋蔥形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，中間相瀝青基碳纖維的拉伸強(qiáng)度為2236-2800MPa，拉伸模量為659-880GPa，熱導(dǎo)率為358-608W/(m.K)。