一種高強度碳纖維的製造方法及專用裝置的製作方法
2023-04-30 05:01:31
專利名稱：一種高強度碳纖維的製造方法及專用裝置的製作方法
所屬領域本發明屬於一種高強度碳纖維的製造方法及專用裝置，具體地說涉及一種使用熱等離子體技術製備高強高模石墨纖維的方法及專用裝置。
背景技術：
碳纖維一面世，即以其獨特的高強、高模量、耐燒蝕、可編織、可導電等優異性能倍受青睞，成為材料世界中的一顆奪目的明星。高模量炭(石墨)纖維是炭纖維家族中的一個重要品種，是先進複合材料最重要的增強材料。它在國防建設和國民經濟建設中有著廣泛的用途，可用於航空、航天、基礎設施、交通工具等領域。因此，發展速度特別驚人，國際碳纖維的經濟規模估計值為1000t/q。除產量大幅度提高以外，而且品種還不斷增加並形成系列產品。以日本東麗公司為例，就PAN基而言在高模量炭(石墨)纖維方面，相繼開發了高模量M系列和高強高模MJ系列產品。除東麗公司外，美國赫爾克裡士(Hercules)公司、阿莫科(Amoco)公司、德國西格瑞(SIGRI)公司亦有部分PAN基高模量炭纖維問世。此外也有日本大阪瓦斯公司、鹿島石油和三菱化成等公司以及美國阿莫科公司地瀝青基高模量炭(石墨)纖維品種上市。國外高模量炭(石墨)纖維已達經濟規模百噸級工業化生產水平，性能不斷提高，產品規格齊全。其發展特點已從60年代初用於非承力件、次承力件，現今已邁入主承力件的實用化階段；此外還研製出許多新的先進複合材料用增強體，然而在眾多的增強體中獨佔鰲頭的仍數炭(石墨)纖維增強體。我國在炭纖維領域雖經幾十年的發展有了長足的進步，但總體上高性能炭纖維的研製工作進展緩慢，遠遠滿足不了國防高技術和國民經濟發展的需要。
石墨纖維是在碳纖維的基礎上經過石墨化處理製備的。碳纖維在2000-3000℃並施加牽引條件下加熱，使碳纖維中石墨微晶沿軸向取向度增加，石墨微晶尺寸增大，層間距減小，大大提高了石墨化程度。經過石墨化處理的碳纖維拉伸模量得到提高，而在石墨化高溫區纖維表面碳發生蒸發，使得原有表面缺陷更加明顯，而碳纖維的結構缺陷對碳纖維的強度有決定性的影響，造成拉伸強度有所降低。
發明內容
本發明的目的是提供一種高強度碳纖維的製造方法及專用裝置本發明的目的是這樣實現的，將工作介質CH4和Ar通入等離子體發生器，在一定壓力、電流下等離子體發生器產生2500℃～3500℃局部區域的高溫，甲烷在高溫電弧等離子體的作用下裂解產生離子碳蒸氣；將碳纖維通過等離子體高溫區，離子碳滲入石墨化後炭纖維的孔中和表面，達到表面緻密化處理，提高強度和模量的目的。本發明高強度碳纖維的製造方法包括如下步驟
(1)、將CH4和Ar以CH4佔Ar體積的1-10％的配比通入等離子體發生器；
(2)、在控制壓力為0.3～0.5MPa，電流為80-100A時等離子體發生器產生2500℃～3500℃局部區域的高溫，在此區域以外為室溫，甲烷在高溫電弧等離子體的作用下裂解產生離子碳蒸氣；
(3)、將碳纖維通過等離子體高溫區，通過時的停留時間為10-20秒，從而得到高強度和高模量的石墨化碳纖維。
為了實現上述發明，設計了等離子體發生器專用裝置，它是由陰極和陽極之間通過絕緣法蘭連接；冷卻水管及甲烷導入管與陽極相連。陽極和反應管之間用法蘭連接，氬氣導入管與陰極相連
本發明與現有技術相比具有發如下優點由於採用上述方案，在一套設備內同時實現石墨化和纖維表面及內部的滲碳，解決了碳纖維石墨化後因表面缺陷而引起強度降低這一重大難題，工藝簡單，得到高強度和高模量的石墨化碳纖維。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是等離子體反應器的縱剖面構造圖。實施例1如圖所示陰極4和陽極3之間通過絕緣法蘭7連接；冷卻水管5及烴原料導入管1以焊接方式與陽極3相連；鉬制內襯6和陽極3是鑲嵌連接；陽極3和反應管9之間是法蘭8連接。氬氣導入管5與陰極4相連。將冷卻水從冷卻水管入口2通入，通過氬氣導入管5通入氬氣，同時甲烷以佔氬氣體積1％的量通過甲烷導入管1通入，並使壓力在0.3MPa，向陰極4和陽極3兩極施加80A的直流電，使氣體持續放電，形成電弧。從反應管9通過碳纖維，控制碳纖維在爐內的停留時間為20秒。反應結束後測試其抗拉模量和抗拉強度，其結果列於表1中。實施例2
甲烷以佔氬氣體積5％的配比和氬氣一同連續通入，調整電流為90A，反應管內壓力為0.4MPa。控制碳纖維在爐內的停留時間為15秒。其它均按實施例1同樣方法和條件進行，反應結束後測試其抗拉模量和抗拉強度，這些結果列於表1中。實施例3
甲烷以佔氬氣體積10％的配比和氬氣一同連續通入，調整電流為100A，反應管內壓力為0.5MPa。控制碳纖維在爐內的停留時間為10秒。其它均按實施例1同樣方法和條件進行，反應結束後測試其抗拉模量和抗拉強度，這些結果列於表1中。
表1
從上表可以看出採用上述實施方案，製造出的石墨纖維的抗拉模量和抗拉強度已經達到M60J(377 GPa、4410 MPa)的水平。
權利要求
1.一種高強度碳纖維的製造方法，其特徵在於包括如下步驟
(1)、將CH4和Ar以CH4佔Ar體積的1-10％的配比通入等離子體發生器；
(2)、在控制壓力為0.3～0.5MPa，電流為80-100A時等離子體發生器產生2500℃～3500℃局部區域的高溫，在此區域以外為室溫，甲烷在高溫電弧等離子體的作用下裂解產生離子碳蒸氣；
(3)、將碳纖維通過等離子體高溫區，通過時的停留時間為10-20秒，從而得到高強度和高模量的石墨化碳纖維。
2.如權利要求1所述一種高強度碳纖維的製造方法所用的裝置，其特徵在於它是由陰極(4)和陽極(3)之間通過絕緣法蘭(7)連接；冷卻水管(5)及甲烷導入管(1)與陽極(3)相連，陽極(3)和反應管9之間用法蘭(8)連接，氬氣導入管(5)與陰極(4)相連。
全文摘要
一種高強度碳纖維的製造方法是將CH4和Ar以一定配比通入等離子體發生器，在控制壓力，電流條件下等離子體發生器產生2500℃～3500℃局部區域的高溫，將碳纖維通過等離子體高溫區，通過時的停留時間為10－20秒，從而得到高強度和高模量的石墨化碳纖維。本發明具有在一套設備內同時實現石墨化和纖維表面及內部的滲碳，工藝簡單，得到高強度和高模量的石墨化碳纖維的優點。
文檔編號D01F9/12GK1399016SQ02128418
公開日2003年2月26日 申請日期2002年8月6日 優先權日2002年8月6日
發明者王浩靜, 劉穎, 周立公, 晁兵 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所