[發明專利]一種可以連續加工的碳纖維微波石墨化設備

在審

• 申請號: 201910571990.7
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110257959A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 張俊杰;朱梁;劉成周;馬文東;吳則革;王瑤瑤;劉勝;單家芳;劉甫坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發明公開了一種可以連續加工的碳纖維微波石墨化設備，在微波加熱腔體的兩側分別設有入口處氣體動態密封裝置和出口處氣體動態密封裝置，微波加熱腔體的兩側通過金屬管分別與入口處氣體動態密封裝置和出口處氣體動態密封裝置密封連接，在微波加熱腔體與入口處氣體動態密封裝置之間還連接有保護氣體進氣管，在微波加熱腔體與出口處氣體動態密封裝置之間還連接有保護氣體風冷管。本發明包含微波測控系統，能夠實時監測入射/反射功率的變化，實時調整頻率，保證固態微波源與腔體具有較好的匹配度；本發明還提供了幾種可以同時加工N路碳纖維的圓柱腔體，大大提高了生產效率；結構簡單，體積小，成本低，便于量產。

技術領域

本發明涉及碳纖維石墨化加熱技術領域，尤其涉及一種可以連續加工的碳纖維微波石墨化設備。

背景技術

高模量石墨化碳纖維又簡稱為石墨纖維，一般認為碳纖維的模量低于344GPa，石墨纖維的模量高于344GPa。石墨纖維具有高模量、高強度和低比重等優異的性能，是國防與國民經濟建設的關鍵戰略材料。目前，國內碳纖維材料主要應用于體育休閑用品，但工業級碳纖維比例近年來正在逐步提升，工業級和軍用級高模量石墨化碳纖維的需求量巨大。石墨化碳纖維的制造需要更高的加熱溫度，其石墨化溫度從理論上推算需要2500-3000℃左右。

微波加熱設備已經有很長的歷史，材料通過自身吸收微波能量而發熱，具體原理為材料在電磁場中由于自身介質損耗而引起的整體加熱。碳纖維微波石墨化正是基于這一加熱原理，經過碳化后的碳纖維的碳含量達到90％以上，具有優異的微波吸收特性；微波加熱具有選擇性，只會加熱碳纖維絲束而不會加熱爐壁，從而解決了加熱效率問題，杜絕了皮芯現象的產生，同時也能大大延長加熱裝置的使用壽命。

國內大部分企業和研究單位目前都采用傳統熱輻射加熱的方式，通過中頻加熱的方式，先加熱爐膛，使得整個爐內溫度達到一個合適的加熱區間，碳纖維絲束連續穿過整個加熱區，完成碳纖維的石墨化加工。這種方法主要存在以下幾個缺點：(1)傳統的加熱方式升溫速率緩慢，且熱效率較低；(2)傳統加熱爐膛的內壁材料無法承受2000℃以上高溫，爐膛在長時間高溫的烘烤作用下，極易產生爐膛開裂與焚化現象，大大縮短爐膛的使用壽命。

碳纖維微波加熱與傳統輻射加熱相比在傳熱方式上有以下區別：(1)傳統熱輻射法是將熱量通過遠紅外線輻射到物體表面，進而通過熱傳導的方式將熱量由表面傳導至物體內部，這樣物體的內部與外部會產生一定的溫差，可能會導致皮芯現象的產生；(2)而微波加熱是由于介質損耗引起的物體內外部同時加熱，不需要熱傳導，加熱更加迅速且更加均勻，非常適合加熱碳纖維絲束。

除了上述傳統輻射加熱方式外，還有一種高頻感應加熱的方式。中國專利(專利申請號：02135138)公開了“一種高強高模碳纖維生產方法及其專用設備”，其采用高頻感應加熱的方式，這種方法主要存在以下幾個缺點：(1)由于碳纖維的電導率相比銅等金屬小得多，導致高頻感應加熱效率較低；(2)由于高頻加熱器容易受到外界電壓波動，導致輸出功率不穩定，碳纖維加熱溫度波動明顯，影響產品質量。

碳纖維微波加熱與傳統高頻感應加熱相比在加熱方式上有以下區別：(1)高頻感應加熱是在加熱區產生交變磁場，碳纖維在交變磁場感應下產生渦流，從而產生加熱效應的過程。但碳纖維的電導率相比銅等金屬小得多，導致高頻感應加熱效率較低，同時還存在輸出功率不穩定的問題；(2)而微波加熱主要是通過碳纖維的介質極化弛豫損耗，吸收微波能量并將其轉化為熱量的過程。同時，碳纖維是一種高損耗介質，因此微波加熱效率極高。用于產生微波的固態微波源輸出功率更加穩定，有助于保證碳纖維產品質量。

發明內容

本發明的目的是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種可以連續加工的碳纖維微波石墨化設備。

本發明是通過以下技術方案實現的：