[发明专利]具有改善的强度和模量的碳纤维及其相关制造方法和设备

说明书

发明领域

本发明总体上涉及碳纤维，更具体地涉及具有改善的强度和模量的碳纤维，以及制造该碳纤维的方法和设备。

发明背景

各种结构性应用和行业鉴于其理想的性能而广泛使用碳纤维。例如，碳纤维可形成结构部件，这种结构部件结合了高强度和高刚度，同时具有明显轻于具有同等性能的金属部件的重量。可通过使前体纤维如纺成聚丙烯腈(PAN)纤维在多步工艺中进行转变来制造碳纤维，在所述多步工艺中对前体纤维进行加热、氧化和碳化，以制造含碳90％或以上的纤维。所得碳纤维可模制成用于结构性应用的高强度复合材料，可以其纯的形式用于电学和摩擦应用，或者可进一步处理以用于吸附剂、过滤器或其它应用。具体地，已开发出碳纤维在树脂、陶瓷或金属基体中作为增强材料的复合材料。

碳纤维正越来越多地用作航空应用中的结构部件。为了满足航空工业的严格要求，需要不断开发同时具有高抗拉强度和高弹性模量的新型碳纤维。具体地，期望开发抗拉强度为1,000ksi或以上且弹性模量为50Msi或以上的碳纤维。对于给定的碳纤维复合材料部件，单丝具有较高抗拉强度和模量的碳纤维与强度较低的碳纤维相比用量较少且仍可达到相同的总强度。因而，复合材料部件的重量较小。部件重量减小对于航空工业具有重要意义且提高了引入该部件的航空器的燃料效率。

在现有技术中已开发出数种提高抗拉强度和模量的方法，这些方法通常具有综合效果。例如，已知可通过升高碳化温度来提高模量。然而，碳化温度的升高导致抗拉强度降低。因而，该方法通常不能够提供制造具有改善的抗拉强度和弹性模量的碳纤维的有效途径。

其它方法着眼于前体纤维转变为碳纤维的工艺之前或工艺过程中对前体纤维进行拉伸。现有技术此前已认识到，可通过在纺后步骤(post-spinningstep)、氧化步骤、碳化步骤或其组合中拉伸纤维，来改善碳纤维的模量。然而，通常认为在氧化步骤中的拉伸量受限于化学反应如PAN前体纤维的热致环化和/或氧化交联开始时在纤维中产生的拉力大小。拉力的累积导致纤维在标准氧化条件下(例如在180℃以上)在经受较小的拉伸时拉断。因而，此前在氧化过程中拉伸PAN纤维的尝试通常限于最大拉伸量或单次连续拉伸。

一些研究和现有参考文献还表明，超过初始或最大拉伸的增量对性能产生极小(如果有的话)的增益，事实上可能实际造成纤维拉断或受损。例如，美国专利No.4,609,540描述了在氧化气氛下施加于前体纤维的最佳拉伸的确定方法。根据专利′540，最佳拉伸量对应于可根据％伸长率与拉力的关系曲线图确定的拐点(inflection point)，最佳伸长率也大致对应于纤维内的最大结晶取向度(degree of crystalline orientation)。专利′540教导了，超过该拐点时，通过进一步拉伸获得的任何增益极小并可能导致起毛(fluff)和拉断。

因而，需要同时具有高抗拉强度和高弹性模量的碳纤维，以及可用于制造这种碳纤维的方法和设备。

发明内容

本发明提供具有改善的强度和模量的碳纤维以及可用于制造所述碳纤维的方法和设备。在一种实施方案中，该方法包括使前体纤维行进通过氧化炉，在氧化炉中纤维在氧化气氛下经受可控拉伸，其中拉力负荷分布在穿行氧化炉的多条路径中。因而，可通过选择允许拉力负荷分布在多条路径中的拉伸条件，提高纤维的总累积拉伸。拉力负荷分布在多条路径中允许拉伸纤维达到超过先前预期的程度。氧化过程中纤维的可控拉伸例如可有助于改善取向性、均匀氧化以及减少缺陷造成的微晶(flaw-inducingcrystallite)的生长，进而可改善所得碳纤维的弹性模量和抗拉强度。

在一种实施方案中，该方法包括使碳纤维前体聚合物通过氧化炉，在氧化炉中使纤维经受多次可控拉伸，以使纤维在至少一条路径中经受5％至30％的％拉伸，在随后的路径中经受5％至20％的％拉伸和2％至15％的拉伸。在一种具体实施方案中，使纤维在第一条路径中经受5％至30％的％拉伸，在第二条路径中经受5％至20％的％拉伸，在第三条路径和第四条路径中经受2％至15％的％拉伸。在另一种实施方案中，该方法包括使碳纤维前体纤维在氧化炉中经受多次可控拉伸，其中：a)在第一条路径中使纤维经受10％至40％的％拉伸；b)在第二条路径中使纤维经受约2％至20％的％拉伸；(c)在第三条路径中使纤维经受约2％至16％的％拉伸；d)在第四条路径中使纤维经受约2％至12％的％拉伸。在氧化步骤完成之后，使由此得到的氧化纤维通过温度介于约400℃至800℃之间的炉体(furnace)，随后通过使纤维通过温度介于1300℃至1500℃之间的炉体，对纤维进行碳化。