[发明专利]一种大直径聚丙烯腈基高模高强碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种大直径聚丙烯腈基高模高强碳纤维及其制备方法。 

背景技术：

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电导热性好等特点，因此被广泛地应用于航天航空、石油、化工、纺织、机械和体育器材等领域。根据碳纤维性能特点，通常可以将碳纤维分为高强型、高模型和高模高强型三大类，其中高模高强碳纤维由于兼具高模量和高强度特性，成为航空航天领域不可或缺的关键材料。 

目前高模高强碳纤维的直径一般在5微米左右，如日本东丽公司生产的MJ系列碳纤维，包括M35J、M40J、M46J、M50J、M55J和M60J等品种，其强度为3.82-4.70GPa，模量为343-588GPa。直径6μm以上，兼具高强度和高模量的聚丙烯腈基碳纤维，市面上没有在售，也未见相关研究报道。 

高温石墨化是制备和生产高模高强碳纤维必不可少的工艺环节，需要将碳纤维在1800℃以上的高温条件下进行进一步石墨化处理，使得纤维中的石墨微晶进一步生长和取向，从而使得碳纤维获得高模量特性。但是在碳纤维通过高温石墨化处理得到高模量的同时，其强度也不可避免地有不同程度下降。通常石墨化温度越高，碳纤维的模量也越高，但强度下降也越大。 

在碳纤维的物性指标中，纤维直径在很大程度上影响其强度、模量等力学性能，纤维直径越小，越容易获得较高强度和模量的碳纤维，但由于纤维直径越小，其生产效率也越低，生产成本也就相对较高。目前市场上的高模高强碳纤维，价格都在每公斤1万元以上，只能应用于航空航天等高端领域。提高碳纤维直径可以有效提高碳纤维的生产效率，降低生产成本，扩大应用领域。对于高模高强碳纤维，提高纤维的直径，还可以降低在高温处理时的 单位能耗，节约能源。 

传统的碳纤维石墨化过程，无论是热传导型石墨化，还是微波辅助加热石墨化过程，都是利用高温的高能量使得碳纤维中的石墨微晶增长，从而使得碳纤维获得高模量特性。对于小直径（5微米左右）碳纤维，虽然由于高温石墨化也会导致强度降低，但由于纤维直径小，在高温条件下纤维能够均匀地受热，加上碳纤维自身强度较高，因此可以通过传统的石墨化过程获得高模高强碳纤维；对于大直径（6微米以上）碳纤维，采用传统方法进行石墨化时，由于高温热传导导致纤维径向存在温度差，纤维径向的温度差异将在纤维内部产生较大的内应力，使得最终纤维强度大幅度下降，因此现有的高温石墨化方法无法实现大直径高模高强碳纤维的制备。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大直径聚丙烯腈基高模高强碳纤维及其制备方法，采用电流辅助石墨化技术，在高温环境下利用碳纤维自身的导电性能，施加一定电压后，一方面使得碳纤维自身发热，消除传统石墨化过程由于热传导引起的纤维径向温度差异，消除纤维石墨化过程产生的纤维直径方向的内应力，在赋予碳纤维高模量的同时，减少石墨化过程碳纤维的强度降低；另一方面通过纤维轴向的电子流效应，促进碳纤维石墨微晶结构的形成和重排，从而获得大直径高模高强碳纤维，可以得到直径在6.0微米以上并同时具有强度3.5GPa以上、模量320GPa以上的碳纤维。 

本发明提供的一种大直径聚丙烯腈基高模高强碳纤维，其特征是：碳纤维的直径为6-12μm，强度为3.5-5.5GPa，模量为320-650GPa。 

本发明还提供了上述大直径聚丙烯腈基高模高强碳纤维的制备方法：包含以下步骤：对聚丙烯腈原丝进行预氧化、低温碳化和高温碳化处理，将得到的碳纤维再进行电流辅助高温石墨化处理，得到高模高强碳纤维。 

与传统预氧化、低温碳化和高温碳化不同，本发明所述预氧化温度控制在150-350℃，最好200-300℃，预氧化时间控制在30-90分钟；最好45-75 分钟，低温碳化温度控制在350-1000℃，最好400-800℃，低温碳化时间控制在0.5-30分钟；最好1-10分钟，高温碳化温度控制在900-1500℃，最好1200-1400℃，高温碳化时间控制在0.1-10分钟，最好0.5-5分钟。 

通过以上预氧化碳化获得碳纤维其体积电阻率在10-3-10-5Ωcm之间。将获得的碳纤维在1800-3000℃温度下进行高温石墨化处理，同时施加0.05V-100V直流或者交流电压，最好10-75V，处理时间0.1-5分钟，最好0.5-3分钟。 

本发明上述制备方法所选用的聚丙烯腈原丝的直径最好为10-25微米，制备得到的碳纤维具有直径介于6.0-12微米之间、强度介于3.5-5.5GPa之间和模量介于320-650GPa之间。 

本发明的优点和效果：