[发明专利]一种高强度碳纤维的制造方法及专用装置

说明书

所属领域：本发明属于一种高强度碳纤维的制造方法及专用装置，具体地说涉及一种使用热等离子体技术制备高强高模石墨纤维的方法及专用装置。

背景技术：

碳纤维一面世，即以其独特的高强、高模量、耐烧蚀、可编织、可导电等优异性能倍受青睐，成为材料世界中的一颗夺目的明星。高模量炭(石墨)纤维是炭纤维家族中的一个重要品种，是先进复合材料最重要的增强材料。它在国防建设和国民经济建设中有着广泛的用途，可用于航空、航天、基础设施、交通工具等领域。因此，发展速度特别惊人，国际碳纤维的经济规模估计值为1000t/q。除产量大幅度提高以外，而且品种还不断增加并形成系列产品。以日本东丽公司为例，就PAN基而言在高模量炭(石墨)纤维方面，相继开发了高模量M系列和高强高模MJ系列产品。除东丽公司外，美国赫尔克里士(Hercules)公司、阿莫科(Amoco)公司、德国西格瑞(SIGRI)公司亦有部分PAN基高模量炭纤维问世。此外也有日本大阪瓦斯公司、鹿岛石油和三菱化成等公司以及美国阿莫科公司的沥青基高模量炭(石墨)纤维品种上市。国外高模量炭(石墨)纤维已达经济规模百吨级工业化生产水平，性能不断提高，产品规格齐全。其发展特点已从60年代初用于非承力件、次承力件，现今已迈入主承力件的实用化阶段；此外还研制出许多新的先进复合材料用增强体，然而在众多的增强体中独占鳌头的仍数炭(石墨)纤维增强体。我国在炭纤维领域虽经几十年的发展有了长足的进步，但总体上高性能炭纤维的研制工作进展缓慢，远远满足不了国防高技术和国民经济发展的需要。

石墨纤维是在碳纤维的基础上经过石墨化处理制备的。碳纤维在2000-3000℃并施加牵引条件下加热，使碳纤维中石墨微晶沿轴向取向度增加，石墨微晶尺寸增大，层间距减小，大大提高了石墨化程度。经过石墨化处理的碳纤维拉伸模量得到提高，而在石墨化高温区纤维表面碳发生蒸发，使得原有表面缺陷更加明显，而碳纤维的结构缺陷对碳纤维的强度有决定性的影响，造成拉伸强度有所降低。

发明内容：本发明的目的是提供一种高强度碳纤维的制造方法及专用装置本发明的目的是这样实现的，将工作介质CH₄和Ar通入等离子体发生器，在一定压力、电流下等离子体发生器产生2500℃～3500℃局部区域的高温，甲烷在高温电弧等离子体的作用下裂解产生离子碳蒸气；将碳纤维通过等离子体高温区，离子碳渗入石墨化后炭纤维的孔中和表面，达到表面致密化处理，提高强度和模量的目的。本发明高强度碳纤维的制造方法包括如下步骤：

(1)、将CH₄和Ar以CH₄占Ar体积的1-10％的配比通入等离子体发生器；

(2)、在控制压力为0.3～0.5MPa，电流为80-100A时等离子体发生器产生2500℃～3500℃局部区域的高温，在此区域以外为室温，甲烷在高温电弧等离子体的作用下裂解产生离子碳蒸气；

(3)、将碳纤维通过等离子体高温区，通过时的停留时间为10-20秒，从而得到高强度和高模量的石墨化碳纤维。

为了实现上述发明，设计了等离子体发生器专用装置，它是由阴极和阳极之间通过绝缘法兰连接；冷却水管及甲烷导入管与阳极相连。阳极和反应管之间用法兰连接，氩气导入管与阴极相连

本发明与现有技术相比具有发如下优点：由于采用上述方案，在一套设备内同时实现石墨化和纤维表面及内部的渗碳，解决了碳纤维石墨化后因表面缺陷而引起强度降低这一重大难题，工艺简单，得到高强度和高模量的石墨化碳纤维。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是等离子体反应器的纵剖面构造图。

实施例1如图所示阴极4和阳极3之间通过绝缘法兰7连接；冷却水管5及烃原料导入管1以焊接方式与阳极3相连；钼制内衬6和阳极3是镶嵌连接；阳极3和反应管9之间是法兰8连接。氩气导入管5与阴极4相连。将冷却水从冷却水管入口2通入，通过氩气导入管5通入氩气，同时甲烷以占氩气体积1％的量通过甲烷导入管1通入，并使压力在0.3MPa，向阴极4和阳极3两极施加80A的直流电，使气体持续放电，形成电弧。从反应管9通过碳纤维，控制碳纤维在炉内的停留时间为20秒。反应结束后测试其抗拉模量和抗拉强度，其结果列于表1中。

实施例2

甲烷以占氩气体积5％的配比和氩气一同连续通入，调整电流为90A，反应管内压力为0.4MPa。控制碳纤维在炉内的停留时间为15秒。其它均按实施例1同样方法和条件进行，反应结束后测试其抗拉模量和抗拉强度，这些结果列于表1中。

实施例3