[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

权利要求书

1.一种碳纤维，该碳纤维如下制造：

通过使纤维在多条路径中暴露于处于高温的氧化气氛，来稳定碳纤维前体聚合物，以生成氧化纤维；

使所述纤维在至少两条所述路径中经受介于10％至30％之间的％拉伸；

使所述氧化纤维通过温度介于约400℃至800℃之间的炉体；以及

通过使所述纤维通过温度介于1300℃至1500℃之间的炉体而使纤维碳化，其中所述碳纤维具有至少1000ksi的抗拉强度和至少50Msi的弹性模量。

2.权利要求1的碳纤维，其中所述碳纤维的原子力显微镜表面图像的特征在于，存在延伸穿越所述碳纤维的表面的多条低相角区条纹和多条高相角区条纹。

3.权利要求1的碳纤维，其中所述碳纤维具有约4nm或更大的微晶宽度值L_a和约14μΩm或更大的电阻率值。

4.权利要求1的碳纤维，其中所述碳纤维具有5纳米或更大的平均相角深度。

5.权利要求1的碳纤维，其中所述碳纤维的粗糙度具有约2或更大的均方根粗糙度(Rq)值。

6.权利要求1的碳纤维，其中所述氧化气氛的温度为约175～300℃。

7.一种制造具有改善的抗拉强度和弹性模量的碳纤维的方法，该方法包括：

使碳纤维前体聚合物行进通过氧化炉中的至少4条路径以生成氧化纤维，所述氧化炉具有温度介于约175℃至300℃之间的氧化气氛；

使所述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、在第三条和第四条路径中经受2％至15％的％拉伸；

使所述氧化纤维通过温度介于约400℃和800℃之间的炉体；以及

通过使所述纤维通过温度介于约1300℃和1500℃之间的炉体而使纤维碳化。

8.权利要求7的方法，其中所述拉伸步骤包括使所述纤维在多条路径中经受多次可控拉伸，所述多次可控拉伸在两条或更多条路径中的每条路径中对所述纤维施加约25％或更小的％拉伸。

9.权利要求7的方法，其中所述纤维离开作为路径一部分的氧化炉。

10.权利要求7的方法，其中所述纤维包括选自下列中的一种或多种共聚单体：丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲代烯丙基磺酸钠和衣康酸。

11.权利要求7的方法，其中所述前体纤维具有约0.6dpf至0.8dpf的旦数。

12.权利要求7的方法，还包括对前体纤维进行表面处理的步骤和上浆的步骤。

13.权利要求7的方法，其中在完成碳化处理之后，碳化纤维经受一种或多种进一步的处理。

14.权利要求13的方法，其中所述进一步的处理包括石墨化、表面处理和/或上浆。

15.一种拉伸纤维的方法，所述纤维包括碳纤维前体聚合物，该方法包括：

使纤维在两条或更多条路径中行进通过氧化炉，所述氧化炉具有氧化气氛；

在两条或更多条所述路径中拉伸所述纤维，拉伸量足以使所述纤维在两条或更多条路径中的每条路径中经历至少两次转变，其中每次转变包括可根据拉力与％拉伸的关系曲线图确定的拐点区域。

16.权利要求15的方法，其中所述拉伸步骤包括使纤维在两条或更多条路径中经受多次可控拉伸，所述多次可控拉伸在所述两条或更多条路径中的每条路径中对所述纤维施加约25％或更小的％拉伸。

17.权利要求16的方法，还包括在使纤维经受进一步拉伸之前允许所述纤维在每次可控拉伸之间稳定的步骤。

18.权利要求17的方法，其中所述拉伸步骤包括使纤维在两条或更多条路径中的每条路径中经受多次可控拉伸，所述多次可控拉伸在所述两条或更多条路径中的每条路径中对所述纤维施加约10％至25％的％拉伸。