[实用新型]一种碳纤维微波等离子体热处理设备

说明书

本实用新型公开了一种碳纤维微波等离子体热处理设备，包括有微波源系统、同轴石英反应器及冷却系统。所述的微波源系统通过馈入结构将特定频率和模式的微波能量馈入指定反应区域并激发工作气体产生等离子体，碳纤维通过微波等离子体区域被加热从而完成碳化和石墨化过程。本实用新型避免了传统加热方法整体加热炉体所造成的能源浪费，同时等离子区域的温度调控简单、反应快、应用场景灵活，可同时满足碳纤维生产中碳化、石墨化、硼化等多个热处理过程。具有工艺简单、生产成本低、能耗低、升温速率快等优点，保障了材料的综合性能，提升了碳纤维的均一性、一致性和力学性能。

技术领域

本实用新型涉及高性能碳纤维制备设备领域，具体涉及一种采用微波等离子体高温热处理碳纤维的装置。

背景技术

碳纤维是21世纪以来最重要的高分子复合材料之一，通常系指含碳量高于90％的高模量高强度纤维。其具有良好的导电性、导热性、高拉升强度、高模量、强耐腐蚀性而广泛的应用于航天飞机、宇宙飞船、卫星、军工及高端运动器械中，在国防建设和国民经济建设中倍受青睐。碳纤维由前驱体纤维经预氧化、碳化和石墨化三个热处理过程制备，预氧化过程的目的是使纺丝后得到的前驱体由原本的锯齿状直线型分子结构转变为梯形结构，使其能够在较高温度下不融熔便于后续的加工；碳化过程的主要目的是为了排出碳纤维中的非碳原子并形成层状结构，碳化的温度区间范围为400℃-1600℃，且可具体细分为低温碳化和高温碳化；石墨化过程的目的是排出剩余少量难以排出的杂原子(例如氮原子)使碳纤维的类石墨结构更加规整，石墨化温度通常在2000℃以上且石墨化处理后的碳纤维含碳量可达99％以上，此时碳纤维又可称为石墨纤维。在石墨化过程中，碳纤维在2000-3000℃的热处理条件下，石墨微晶沿纤维轴取向度增加，微晶尺寸变大，与此同时层与层之间的距离减小，整体结构向理想石墨结构发展。综上，热处理过程是制备高模量碳纤维的必要手段，因此研制高效的高温设备和装置是降低成本、获得高性能碳纤维的关键所在。

目前常用的热处理设备主要有①高温电阻炉：电阻炉使低压大电流通过石墨发热体(炉管或坩埚)，利用欧姆热效应在发热体内部形成稳定的高温区之后让碳纤维以恒定速率通过该高温区域从而达到碳化和石墨化的效果。该方法温度场分布相对均匀，但加热效率低、能耗巨大且发热炉体需要频繁更换导致碳纤维成本高。②感应加热炉：感应加热炉的原理是以电磁感应和被加热物体的介电性能为基础，利用感应原理对碳纤维进行石墨化。由于不论是何种纺丝手段，生产出的碳纤维直径不尽相同导致在加热时同一股纤维丝束受热不均，易出现烧毛等现象。③激光加热炉：激光加热炉的原理是通过一系列的透镜将激光能量聚集至待处理碳纤维表面上从而达到石墨化的效果，该方法虽然最高石墨化温度可达3000多度，但由于升温速率过快，制备的碳纤维内部结构不够均匀，致密性欠佳。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，对碳纤维热处理过程中的关键加工设备及对应的加工工艺做根本的改进。本实用新型提供一种能耗低、效率高、无污染的多功能新型加热装置，微波等离子体热处理碳纤维设备有望克服上述发热腔体所带来的能源损耗问题，同时其升温速率较快，温度调节灵活且可满足各种生产需求，综合完成高温碳化、石墨化两个热处理过程将在很大程度上降低碳纤维研制的成本。

本实用新型所采用的技术方案是：一种碳纤维微波等离子体热处理设备，包括微波源系统、同轴石英反应器、冷却系统、外层金属导管，微波源系统包括微波电源、环形器、微波发生器、矩形波导、转换波导、短路活塞；

所述同轴石英反应器包括同轴内层石英反应器和同轴外层石英管组成，所述同轴内层石英反应器的两端口设置有碳纤维丝入口、等离子体工作气体进气口和保护石英管的旋气入口及控制工作气压的真空泵；

所述同轴外层石英管外设置有金属导管用以约束电磁波的传输，金属管外布置有磁场组件；

所述同轴内层石英反应器为热处理设备的主体，微波由微波源系统产生并在所述同轴内层石英反应器中激发工作气体产生等离子体，所述同轴内层石英反应器与同轴外层石英管的夹层通有冷却液，起到保护所述同轴内层石英反应器在高温下稳定的作用；