[发明专利]一种具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维及其原丝和制备方法

说明书

本发明提供一种具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维及其原丝和制备方法，所制备的中间相沥青基碳纤维具有芯部呈辐射状外部呈洋葱形的混合型横截面结构，既保持了较高的拉伸强度和拉伸模量，又具有高的热导率。采用喷丝孔长径比为(3‑5):1的喷丝板对中间相沥青进行纺丝，得到中间相沥青原丝；中间相沥青原丝经预氧化、碳化及石墨化处理，得到具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维及其原丝和制备方法。

背景技术

中间相沥青基碳纤维具有不同的横截面结构，包括洋葱形、辐射状和褶皱形等。这个差异在微观上反映了中间相沥青基碳纤维截然不同的微晶尺寸和石墨化程度，在宏观上导致中间相沥青基碳纤维力学性能和热导率各不相同。横截面结构对中间相沥青基碳纤维的力学性能尤其是抗拉强度的影响较为明显：洋葱形横截面结构在断裂过程中裂纹发生连续的偏转，更能有效地抵抗裂纹扩展，有助于提升中间相沥青基碳纤维的抗拉强度；而全辐射状横截面结构容易使断裂裂纹沿纤维片层方向迅速扩展，导致中间相沥青基碳纤维“崩塌式”断裂，影响中间相沥青基碳纤维的拉伸强度；另外，在碳化和石墨化过程中，径向辐射状微晶片层收缩时容易产生大的内应力，导致纤维产生纵向劈裂，也会导致纤维低强度断裂。在热导率的影响方面：辐射状或平面状的片层比褶皱状更容易石墨化，石墨化程度越高，晶格缺陷越少，晶格尺寸越大，热导率就越大。褶皱度较高的无规状、洋葱形片层不易石墨化，因而热导率也就低；洋葱形的中间相沥青基碳纤维在不熔化过程中容易阻挡氧向纤维内部扩散，芯部预氧化程度较低，在后续的碳化过程中因氧化交联程度不够造成芯部出现熔融状态，以及产生大量的孔洞等缺陷也导致热导率偏低。

综合以上分析，洋葱形的横截面结构有助于拉伸强度的提升，辐射状的横截面结构有助于热导率的提升，而现有技术中的中间相沥青基碳纤维均是单一横截面结构，导致力学性能与导热性能不能兼顾的问题。因此，有必要研究一种包含这两种横截面结构的中间相沥青基碳纤维，以兼顾力学性能和导热性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维及其原丝和制备方法，所制备的中间相沥青基碳纤维具有芯部呈辐射状外部呈洋葱形的混合型横截面结构，既保持了较高的拉伸强度和拉伸模量，又具有高的热导率，解决了现有技术中因为中间相沥青基碳纤维单一横截面结构而导致的力学性能与导热性能不能兼顾的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维的制备方法，包括如下步骤，

步骤一，采用喷丝孔长径比为(3-5):1的喷丝板对中间相沥青进行纺丝，得到中间相沥青原丝；

步骤二，中间相沥青原丝经预氧化、碳化及石墨化处理，得到具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维。

优选的，步骤一中，中间相沥青通过双螺杆挤出工艺进行纺丝。

优选的，步骤一中，纺丝温度为350-500℃。

优选的，步骤二中，预氧化的具体过程为：将步骤一得到的中间相沥青原丝在间歇式预氧化炉中进行预氧化处理，设定25℃-200℃预氧化升温速率为5-10℃/min，200℃-400℃的升温速率为2-5℃/min，并在400℃恒温稳定30-60min，全程预氧化时间为90-300min。

优选的，步骤二中，采用连续式碳化及石墨化处理，碳化温度为450-1800℃，石墨化温度为2500-3000℃。

一种采用上述任一制备方法得到的具有混合型横截面结构的中间相沥青基碳纤维，芯部呈辐射状结构，外层呈洋葱形结构。

优选的，中间相沥青基碳纤维的拉伸强度为2236-2800MPa，拉伸模量为659-880GPa，热导率为358-608W/(m.K)。