[发明专利]一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法

说明书

本发明涉及一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法，属于非平衡等离子体应用技术领域。为了克服现有碳纤维制造过程中对设备的要求高、能耗大以及生产成本高的技术不足，本发明提供一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其在低温环境下用非平衡等离子体制造碳纤维的方法，采用本发明的装置及其方法不仅可以降低碳纤维制造过程中的预氧化，碳化和石墨化温度，大大降低了能耗，并且可以大大缩短碳纤维制造工艺各步骤的处理时间，显著提高了生产效率。

技术领域

本发明涉及一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法，属于非平衡等离子体应用技术领域。

背景技术

碳纤维有许多优良的性能，比如碳纤维密度在1.5-2.0克/cm³，比铝(密度为2.7克/cm³)低，它的密度是钢密度四分之一，因此，用碳纤维做原料制造的产品的重量与铝和钢相比，相同体积情况下重量要轻很多；另外碳纤维的杨氏模量高，导电，膨胀体数小，柔软，耐热性好，对酸、碱等一般有机溶剂都具有良好的耐腐性、耐油性、抗辐射等等。由于碳纤维具有许多优良功能，因此在国防工业、汽车、建筑、化工等工业中的用途非常广泛，大到飞机零部件，小到高尔夫球杆、耐性用的钓鱼杆。正因为碳纤维具有广泛的用途，因此世界各国都在大力发展碳纤维的研究和生产，我国虽然起步较晚，但是目前已取得很大进展。

研究和制造碳纤维发明专利不少，国际上涉及碳纤维制造工艺的专利也很多，这些专利采用的工艺都是常规的工艺，即是预氧化是在氧气中加热，聚丙烯晴基预氧化温度200-300℃范围，沥青基预氧化温度在200℃-400℃范围，粘胶基原丝预氧化温度在200℃-240℃，聚丙烯晴碳化和石墨化温度分别在1200℃-1500℃和2500℃-3000℃；沥青碳化和石墨化温度分别在1500-1700℃和2500℃-2800℃；粘胶碳化在500-2000℃，石墨化在3000℃-3200℃，在如此高温的温度加热时间长，少则半小时多则几小时，因此现有碳纤维的制造技术存在对设备的要求高、能耗大的技术不足，同时使得碳纤维的生产成本一直居高不下。

与热等离子体相比，非平衡等离子体的温度仅在室温程度或者稍高，电子具有比离子和原子更高的温度，一般能够达到0.1～10个电子伏。而且由于气体的压力低，电子与离子之间的碰撞很少，因而不能达到热力学平衡。由于非平衡等离子体的温度在室温范围，因而可以在材料技术领域内应用。《等离子体技术在碳纤维表面处理中的应用》一文对非平衡等离子体技术以及其在碳纤维表面处理方面的应用情况，包括等离子体与纤维的作用、等离子体对碳纤维的处理效果以及等离子体技术在碳纤维表面处理方面的优势和不足进行了综述，并指出等离子体技术对碳纤维表面进行处理可以提高碳纤维复合材料的性能。但现有技术中尚没有检索到利用非平衡等离子体技术直接应用于碳纤维制造的报道。

发明内容

为了克服现有碳纤维制造过程中对设备的要求高、能耗大以及生产成本高的技术不足，本发明提供一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其在低温环境下用非平衡等离子体制 造碳纤维的方法，采用本发明的装置及其方法不仅可以降低碳纤维制造过程中的预氧化，碳化和石墨化温度，大大降低了能耗，并且可以大大缩短碳纤维制造工艺各步骤的处理时间，显著提高了生产效率。

本发明所述的技术方案如下所示：

一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其包括预氧化区，碳化区和石墨化区，所述的预氧化区包括氧气或空气入口、预氧化室、加热丝及其电源、电极板及其电源，介质板和反射屏，其中所述的加热丝包括上下两根，用于加热升高预氧化室内的温度；所述的反射板包括上下两个，位于加热丝的外侧，用以防止热量流失；所述的电极板包括上电极板和下电极板，位于加热丝的内侧，上下电极板分别与一块介质板相连，介质板之间形成非平衡等离子体处理区域；