[發(fā)明專利]一種基于干噴濕紡高強中模航空用碳纖維的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911275560.7
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN111074381A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳秋飛;楊瑞;郭鵬宗;胡和亮
• 申請（專利權(quán)）人: 中復(fù)神鷹碳纖維有限責任公司
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F11/16;D01F11/14;D06M15/55;D06M101/40
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發(fā)明公開了一種基于干噴濕紡的高強中模碳纖維的制備工藝，以干噴濕法制備高取向度、高細旦化原絲的基礎(chǔ)上，經(jīng)預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化和表面處理后制得，制備的碳纖維強度在5.5?6.5GPa，模量在290?310GPa。為解決干噴濕法碳纖維表面活性差的問題，本發(fā)明采用大電量電化學表面處理工藝，處理電量在20C/g以上，單向板ILSS在120MPa以上。該產(chǎn)品適用于航天航空等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能化碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，及一種基于干噴濕紡高強中模航空用碳纖維的制備方法。

背景技術(shù)

聚丙烯腈基碳纖維是生產(chǎn)高性能碳纖維最有前途的前驅(qū)體，利用聚丙烯腈原絲為出發(fā)原料，經(jīng)過預(yù)氧化和碳化過程可以制得碳纖維。目前碳纖維市場上主要是以通用型碳纖維為主，而為了提高碳纖維的使用性能及航空應(yīng)用領(lǐng)域，需要開發(fā)一種高強中模甚至高強高模的航空用碳纖維，以此提高碳纖維在航空應(yīng)用中的廣泛性。

隨著碳纖維性能的不斷提高和基體樹脂的增韌性獲得成功，使碳纖維復(fù)合材料成為制造飛機的先進復(fù)合材料(ACM)，逐步取代金屬材料。特別是高強中模、大伸長碳纖維的批量生產(chǎn)，使沖擊后壓縮強度(CAI)得到提高和耐濕熱性改善，碳纖維的復(fù)合材料已成為制造飛機的主要材料之一。

碳纖維在經(jīng)過高溫爐碳化處理后，其本身的表面活性降低，與樹脂之間的結(jié)合能力隨之減弱，同時，復(fù)合材料的層間剪切強度(ILSS)也降低，不能滿足使用要求并嚴重影響應(yīng)用效果。研究發(fā)現(xiàn)，表面處理工藝可以明顯提高碳纖維與樹脂之間的結(jié)合能力。由此可見，表面處理是碳纖維生產(chǎn)過程中的必要工序。碳纖維的應(yīng)用在很大程度上與其拉伸強度、復(fù)合材料層間剪切強度(ILSS)和界面形貌有關(guān)。因此，當對碳纖維復(fù)合材料施加外力時，其所受到的外力會通過樹脂在碳纖維絲束間擴散。樹脂與碳纖維之間的結(jié)合能力減弱，最終導致復(fù)合材料的力學性能下降。當沒有足夠的結(jié)合力連接基體樹脂和碳纖時，復(fù)合材料的ILSS將會明顯下降。所以，必須對碳纖維進行表面處理，提高復(fù)合材料的ILSS，以達到設(shè)計的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于干噴濕紡高強中模航空用碳纖維的制備方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的提供技術(shù)方案如下：

一種基于干噴濕紡高強中模航空用碳纖維的制備工藝，具體為：

采用干噴濕紡、凝固后制備取向度、高細旦化原絲；經(jīng)預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化和表面處理后；

使得原絲拉伸強度在5.5-6.5GPa，模量在290-310GPa，斷裂伸長率2.1％，單向板ILSS在120MPa以上。

包括具體步驟如下：

對干噴濕紡制備的取向度、高細旦化原絲進行預(yù)氧化，并保證氧化段單絲間溫度的一致；

再依靠控制碳化的溫度、牽伸比，進行來控制晶體的生長，獲得高晶體取向及微晶堆積；

通過陽極氧化電化學處理，獲得的ILSS在70MPa以上的纖維后，后處理得到高強中模航空用碳纖維。

進一步的，干噴濕紡的原絲纖度為0.6-0.8dtex，單絲直徑5-9um單絲強力在9cN/dtex以上，取向度92％以上，纖維表面光滑無明顯溝槽。

進一步的，預(yù)氧化得到預(yù)氧化體密度為1.32-1.36g/cm³，預(yù)氧化牽伸率0.90-1.20，張力為20-25cN/dtex。

進一步的，碳化過程中，采用兩段碳化過程，分別低溫和高溫過程，低溫碳化溫度300-900℃，低溫碳化牽伸率0.95-1.10；高溫碳化溫度為900-1600℃，高溫碳化牽伸率為0.94-0.98。