[發明專利]一種高強度高模量碳纖維的制備系統及方法

有效

• 申請號: 201810536653.X
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108560081B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 錢鑫;張永剛;王雪飛;宋書林
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發明公開了一種高強度高模量碳纖維的制備系統及方法，其中，高強度高模量碳纖維的制備系統包括碳纖維絲束依次進入的低溫石墨化裝置與高溫石墨化裝置；低溫石墨化裝置與高溫石墨化裝置均設有絲束通道，沿絲束通道方向設有石墨發熱體；低溫石墨化裝置中的石墨發熱體長度為50?100cm，對碳纖維絲束的石墨化溫度為2000?2300℃；高溫石墨化裝置中的石墨發熱體長度為100?200cm，對碳纖維絲束的石墨化溫度為2400?2800℃。利用本發明，使用低溫、高溫石墨化兩系統對碳纖維進行石墨化處理，通過低溫、高溫石墨化的工藝參數設計與調控，在穩定提高碳纖維拉伸模量的同時，保證石墨化處理中纖維具有較高的強度保留率，從而獲得高拉伸強度高拉伸模量碳纖維。

技術領域

本發明屬于碳纖維生產技術領域，具體涉及一種高強度高模量碳纖維的制備系統及方法。

背景技術

高強度高模量碳纖維具有拉伸強度高、拉伸模量高、熱膨脹系數小、耐腐蝕、抗疲勞、導電等一系列優點，因此在航空、航天、民用等各個領域均獲得廣泛應用。高強度高模量碳纖維是在碳纖維基礎上經過高溫石墨化處理制備得到，因而石墨化處理成為制備高強度高模量碳纖維關鍵工藝之一。

目前國內外的現有技術中，高強度高模量碳纖維的石墨化處理過程往往是由單溫區的高溫石墨化系統組成，采用石墨化爐對碳纖維直接進行高溫石墨化處理一段時間。

申請人通過大量的調查研究發現，碳纖維在石墨化處理過程中經歷了破壞-重構-增長過程，即碳纖維在低于一定溫度(通常2300℃)時，碳纖維亂層石墨結構首先發生破壞，纖維體密度大幅下降，當石墨化溫度繼續提高時，纖維破壞結構會發生重構，纖維體密度逐漸上升，而隨石墨化溫度進一步升高，重構后的石墨化結構出現有序增長，其纖維體密度也大幅提高。由于目前國內外的現有技術在制備高強度高模量碳纖維時只采用單溫區的高溫石墨化處理，高溫石墨化處理會顯著縮短碳纖維的破壞-重構-增長整個過程的時間，導致纖維內部結構未完全重構，進而導致碳纖維力學性能尤其是拉伸強度顯著下降。

專利號為4301136的美國專利文獻公開了一種利用前、后爐生產高品質高強度高模量碳纖維方法，但其前爐溫度較低，僅為1700-1900℃，而且其前爐處理時間顯著高于后爐處理時間，導致制備得到纖維性能較低，制備得到纖維拉伸模量最高427GPa，且同時其拉伸強度僅為2.58GPa。

若要在穩定提升碳纖維拉伸模量的前提下，盡可能獲得較高的拉伸強度，則需要重新設計一種新的高強度高模量碳纖維的制備系統及制備方法。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種高強度高模量碳纖維的制備系統及方法，通過使用低溫、高溫石墨化兩裝置對碳纖維進行石墨化處理，并利用低溫、高溫石墨化工藝參數的合理設計與調控，在穩定提高碳纖維拉伸模量的同時，保證石墨化處理中纖維具有較高的強度保留率，從而獲得高拉伸強度高拉伸模量碳纖維。

一種高強度高模量碳纖維的制備系統，包括碳纖維絲束依次進入的低溫石墨化裝置與高溫石墨化裝置；所述低溫石墨化裝置與高溫石墨化裝置均設有絲束通道，沿絲束通道方向均設有石墨發熱體；

所述低溫石墨化裝置中的石墨發熱體長度為50-100cm，對碳纖維絲束的石墨化溫度為2000-2300℃；所述高溫石墨化裝置中的石墨發熱體長度為100-200cm，對碳纖維絲束的石墨化溫度為2400-2800℃。

碳纖維絲束在進入低溫石墨化裝置與高溫石墨化裝置后的運行速度一般是相等的，由于低溫石墨化裝置的石墨發熱體長度小于高溫石墨化裝置的石墨發熱體長度，因此碳纖維絲束在低溫石墨化裝置中的停留時間較之高溫石墨化裝置中要短。由于低溫石墨化裝置起始溫度設置合理且耗時短，因而可在短時間內保證纖維內部結構進行破壞-重構，再經高溫石墨化裝置的長時間處理，實現纖維石墨結構的有序增長。