高模數石墨纖維及其製造方法
2023-05-17 11:40:51
高模數石墨纖維及其製造方法
【專利摘要】本發明所製成高模數石墨纖維的抗張模數為270~650GPa，其具有複數結晶結構，且該結晶結構的厚度(Lc)為20~70埃；其由碳纖維作為原料，以微波聚焦方式對其進行超快速高溫石墨化製程，以每分鐘加熱速度10~100℃將碳纖維溫度提高到石墨化溫度1400~3000℃，並在0.5~10分鐘內進行快速石墨化製程，形成具有高模數特性的石墨纖維。
【專利說明】高模數石墨纖維及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明有關一種聞|旲數石墨纖維及其製造方法，旨在提供一種可大幅提升石墨化的效率，並降低製程成本的製造方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維因為具有低比重、高抗張強度、高模數、高導電性、高熱導等一系列的優良特性，還具有纖維的柔性可編制特性的優點。其中高強度高模數的特殊碳纖維，被廣泛應用在建築、航空、軍事的新型增強複合材料。碳纖維原料種類相當多，如嫘縈、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN)、浙青(pitch)等。現有主流使用的碳纖維採用聚丙烯腈(PAN)為原料，其碳纖維的強度等力學特性優良，質量性能均勻且可安定製造。
[0003]以PAN為原料製造碳纖維的流程一般如下:PAN原料(抽絲)一穩定化工程(200-300?，空氣中氧化時間10-20小時)一碳化工程(1000-1500°c，氮氣中加熱時間2小時以上)一石墨化工程(1500-3000°C，氬氣中加熱時間0.5小時以上)一石墨化纖維。其中石墨化工程目的在使纖維中碳含量達90%以上，並形成二維碳環平面的網狀結構和層片平行的石墨層結構。一般皆利用X射線繞射(XRD)與拉曼光譜(Raman)對PAN碳纖維的微觀結構進行了解，並研究其對碳纖維機械性能的影響。XRD分析中，主要由石墨相峰值半高寬β判斷石墨層結晶面(002)的堆棧厚度(晶粒厚度)，一般以Lc作為表示，關係式如下式(I)，K為形狀因子，λ為X光波長，Θ為散射角。
[0004]Lc=K λ / β cos Θ 公式(I)
[0005]Lc越高代表石墨層堆棧數越多，纖維結構越緊密，研究結果顯示高強度型(以Toray公司T系列為代表)碳纖維的結晶區約由5~6層石墨平面組成，高強度高模數型(MJ系列為代表)碳纖維的結晶區約由10~20層石墨平面組成。理論上和實際商品驗證均指出，石墨層晶粒厚度越大，碳纖維的拉伸模數越高，如表1所示。
[0006]
【權利要求】
1.一種高模數石墨纖維，其特徵在於，該高模數石墨纖維的抗張模數為27(T650GPa，其具有複數結晶結構，且該結晶結構的厚度(Lc)為20-70埃。
2.如權利要求1所述高模數石墨纖維，其特徵在於，該高模數石墨纖維的抗張強度範圍為 3.0~6.6GPa。
3.—種製造如權利要求1或2所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，其由碳纖維做為原料，以微波聚焦方式對其進行超快速高溫石墨化製程，以每分鐘加熱速度1(T100°C將碳纖維溫度提高到石墨化溫度140(T3000°C，並在0.5~10分鐘內進行快速石墨化製程，形成具有高模數特性的石墨纖維。
4.如權利要求3所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該碳纖維來源為聚乙烯醇與聚丙烯腈的組合、偏氯乙烯與聚丙烯腈的組合或浙青與聚丙烯腈的組合。
5.如權利要求3所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該微波聚焦方式中提供橢圓腔體設計，於該橢圓腔體的二焦點處分別形成微波場集中區，並提供惰性氣體以及高頻微波，使其在惰性氣體氣氛保護下，利用高頻微波電場與通過微波場集中區的碳纖維產生感應電流加熱而產生急速高溫。
6.如權利要求5所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該橢圓腔體內搭配對微波具高感應性的材料，其為石墨、碳化物、磁性化合物、氮化物、離子化合物或上述的組口 ο
7.如權利要求5所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該惰性氣體選自以下群組:氮氣、氬氣、氦氣及其組合。
8.如權利要求5所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該高頻微波頻率為300^30, OOOMHz,以及微波功率密度為f 1000kW/m2。
9.如權利要求3所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該微波聚焦方式中提供平板腔體設計，並於該平板腔體內形成有複數微波場集中區，並提供惰性氣體以及高頻微波，使其在惰性氣體氣氛保護下，利用高頻微波電場與通過微波場集中區的碳纖維產生感應電流加熱而產生急速高溫。
10.如權利要求9所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該平板腔體內搭配對微波具高感應性的材料，其為石墨、碳化物、磁性化合物、氮化物或離子化合物的組合。
11.如權利要求9所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該惰性氣體選自以下群組:氮氣、氬氣、氦氣及其組合。
12.如權利要求9所述高模數石墨纖維的製造方法，其特徵在於，該高頻微波頻率為300^30, OOOMHz，以及微波功率密度為f 1000kW/m2。
【文檔編號】D01F9/12GK103541042SQ201210241023
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月12日 優先權日:2012年7月12日
【發明者】王智永 申請人:永虹科技股份有限公司