[发明专利]一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法

说明书

本发明公开了一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法，其中，高强度高模量碳纤维的制备系统包括碳纤维丝束依次进入的低温石墨化装置与高温石墨化装置；低温石墨化装置与高温石墨化装置均设有丝束通道，沿丝束通道方向设有石墨发热体；低温石墨化装置中的石墨发热体长度为50‑100cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2000‑2300℃；高温石墨化装置中的石墨发热体长度为100‑200cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2400‑2800℃。利用本发明，使用低温、高温石墨化两系统对碳纤维进行石墨化处理，通过低温、高温石墨化的工艺参数设计与调控，在稳定提高碳纤维拉伸模量的同时，保证石墨化处理中纤维具有较高的强度保留率，从而获得高拉伸强度高拉伸模量碳纤维。

技术领域

本发明属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法。

背景技术

高强度高模量碳纤维具有拉伸强度高、拉伸模量高、热膨胀系数小、耐腐蚀、抗疲劳、导电等一系列优点，因此在航空、航天、民用等各个领域均获得广泛应用。高强度高模量碳纤维是在碳纤维基础上经过高温石墨化处理制备得到，因而石墨化处理成为制备高强度高模量碳纤维关键工艺之一。

目前国内外的现有技术中，高强度高模量碳纤维的石墨化处理过程往往是由单温区的高温石墨化系统组成，采用石墨化炉对碳纤维直接进行高温石墨化处理一段时间。

申请人通过大量的调查研究发现，碳纤维在石墨化处理过程中经历了破坏-重构-增长过程，即碳纤维在低于一定温度(通常2300℃)时，碳纤维乱层石墨结构首先发生破坏，纤维体密度大幅下降，当石墨化温度继续提高时，纤维破坏结构会发生重构，纤维体密度逐渐上升，而随石墨化温度进一步升高，重构后的石墨化结构出现有序增长，其纤维体密度也大幅提高。由于目前国内外的现有技术在制备高强度高模量碳纤维时只采用单温区的高温石墨化处理，高温石墨化处理会显著缩短碳纤维的破坏-重构-增长整个过程的时间，导致纤维内部结构未完全重构，进而导致碳纤维力学性能尤其是拉伸强度显著下降。

专利号为4301136的美国专利文献公开了一种利用前、后炉生产高品质高强度高模量碳纤维方法，但其前炉温度较低，仅为1700-1900℃，而且其前炉处理时间显著高于后炉处理时间，导致制备得到纤维性能较低，制备得到纤维拉伸模量最高427GPa，且同时其拉伸强度仅为2.58GPa。

若要在稳定提升碳纤维拉伸模量的前提下，尽可能获得较高的拉伸强度，则需要重新设计一种新的高强度高模量碳纤维的制备系统及制备方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法，通过使用低温、高温石墨化两装置对碳纤维进行石墨化处理，并利用低温、高温石墨化工艺参数的合理设计与调控，在稳定提高碳纤维拉伸模量的同时，保证石墨化处理中纤维具有较高的强度保留率，从而获得高拉伸强度高拉伸模量碳纤维。

一种高强度高模量碳纤维的制备系统，包括碳纤维丝束依次进入的低温石墨化装置与高温石墨化装置；所述低温石墨化装置与高温石墨化装置均设有丝束通道，沿丝束通道方向均设有石墨发热体；

所述低温石墨化装置中的石墨发热体长度为50-100cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2000-2300℃；所述高温石墨化装置中的石墨发热体长度为100-200cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2400-2800℃。

碳纤维丝束在进入低温石墨化装置与高温石墨化装置后的运行速度一般是相等的，由于低温石墨化装置的石墨发热体长度小于高温石墨化装置的石墨发热体长度，因此碳纤维丝束在低温石墨化装置中的停留时间较之高温石墨化装置中要短。由于低温石墨化装置起始温度设置合理且耗时短，因而可在短时间内保证纤维内部结构进行破坏-重构，再经高温石墨化装置的长时间处理，实现纤维石墨结构的有序增长。