[发明专利]一种提高碳纤维抗拉强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维制备的技术领域，具体涉及到一种通过分步热处理降低碳纤维的皮芯结构，以提高碳纤维性能的碳纤维制备方法。

背景技术

碳纤维是适应宇航、航空、原子能等尖端工业发展的需要而研制开发的一种新型非金属材料，它具有高抗拉强度、高抗拉模量、低密度、耐高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高电导和热导、低热膨胀、自润滑和生物体相容性好等奇异性能，是理想的耐烧蚀、结构和功能性复合材料组元，已成为开发各种复合材料不可缺少的原料，为各工业发达国家梦寐以求的第四代工业元材料。特别突出的是它的高比强度和高比模量两大特性，使得它可用作承载高负荷的结构材料和特殊用途的功能材料，主要应用到航天航空、国防军事等尖端领域中。随着炭纤维质量的提高、产量的扩大和生产成本的降低，其应用逐渐扩展到了体育器材、能源、交通、建筑、电子和医疗等民用工业领域。

碳纤维石墨化是指碳纤维经2000℃以上高温热处理。经过石墨化后，碳纤维中的各种非碳元素进一步脱除，碳进一步富集，石墨层平面进一步沿纤维轴择优取向，从而使碳纤维的抗拉模量得到很大的提高，但其抗拉强度则下降的比较厉害。所以如何在提高炭纤维抗拉模量的同时防止其抗拉强度的下降，甚至提高抗拉强度是研究者关注的热点之一。以往多采用如下手段来提高炭纤维的抗拉强度：硼催化可以降低石墨化温度，进而提高纤维的抗拉强度；加压可以有效抑制纤维表面碳的升华，减小缺陷的产生；渗碳可以减少纤维表面的微观结构缺陷，提高纤维的抗拉强度；高强磁场也可以提高纤维的抗拉强度。

碳纤维的力学性能与其微观结构密切相关。研究表明大部分碳纤维的微观结构是不均匀的。一般来说由两相组成：一相为高度取向相，存在于纤维表面；另一相为杂乱排列相，存在于纤维内部。这也就是所说的皮芯结构。碳纤维的皮芯结构遗传于原丝，后经预氧化、炭化先是变的严重而后又有减弱的趋势，但皮芯结构仍然保留在纤维中。这种皮芯结构的存在导致纤维的抗拉强度、抗拉模量等外层高而内层低，因此，消除皮芯结构必然可以大幅度提高碳纤维的性能特别是抗拉强度。一直以来，研究者采取的降低碳纤维皮芯结构的方法很多，如：1)在纺丝初期，通过调节凝固浴的浓度来控制双扩散的速度，以降低原丝的皮芯结构；2)纺织细旦化的原丝；3)减小预氧化温度梯度或延长预氧化时间；4)在纤维内部注入一些元素，以降低原丝的皮芯结构。

发明内容

本发明目的是提供一种提高碳纤维抗拉强度的方法，其解决了现有加工方法导致碳纤维抗拉强度低的技术间题。

本发明的技术解决方案是：

一种提高碳纤维抗拉强度的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1]确定碳纤维最高抗拉强度对应的热处理温度：

将最终热处理温度低于2000℃的碳纤维放置在高温炉中，从1500℃开始逐渐升温到2000℃进行热处理，每间隔40～100℃测量碳纤维的抗拉强度，绘制碳纤维的热处理温度与抗拉强度的对应曲线，从而确定碳纤维最高抗拉强度对应的热处理温度；

2]将需要进行热处理的碳纤维放置在高温炉中，在步骤1]中确定的最高抗拉强度对应的热处理温度下进行热处理，处理时间2～10s，得到碳纤维中间产品；

3]将碳纤维中间产品放置在高温炉中，在2400～2800℃下进行热处理，处理时间2～10s。

2、根据权利要求1所述的提高碳纤维抗拉强度的方法，其特征在于：所述步骤2]和步骤3]是在一个高温炉中分步进行的。

上述步骤2]和步骤3]是在两个串联的高温炉中依次进行的。

上述步骤1]中测量碳纤维的抗拉强度时的温度间隔为50℃。

本发明所具有的优点：本发明通过分步热处理法来降低碳纤维的皮芯结构，从而提高其力学性能特别是抗拉强度。与以往提高碳纤维抗拉强度的方法相比，本发明方法简单、不需要添加其它的额外材料或过多的设备且碳纤维抗拉强度提高较大。

附图说明

图1为本发明绘制的某品牌碳纤维抗拉强度与热处理温度的对应曲线。

具体实施方式

1]确定碳纤维最高抗拉强度对应的热处理温度：

将碳纤维放置在高温炉中，从1500℃逐渐升温到2000℃每间隔50～100℃进行热处理，测量各温度点碳纤维的抗拉强度，绘制碳纤维的温度与对应抗拉强度曲线，确定出碳纤维抗拉强度最高点的对应温度，如图1所示；碳纤维为各种中高强碳纤维；

2]将碳纤维在放置在高温炉中，在步骤1]中确定的最高抗拉强度对应的热处理温度下进行热处理，处理时间2～10s，得到碳纤维中间产品；