[发明专利]一种聚丙烯腈纤维微波等离子体石墨化方法及其装置

说明书

本发明涉及一种聚丙烯腈纤维微波等离子体石墨化方法及其装置，属于碳纤维制备技术领域。首先将聚丙烯腈原丝经空气氛围在温度为240‑300°C预氧化30‑50min得到预氧化聚丙烯腈原丝；将预氧化聚丙烯腈原丝以惰性气氛在微波条件下温度为700‑1400°C微波碳化4min得到碳化聚丙烯腈原丝；将得到的碳化聚丙烯腈原丝在温度为1600‑2800°C下微波等离子体石墨化1‑5min得到力学性能更好的聚丙烯腈纤维。采用本发明的方法和装置，将聚丙烯腈纤维微波等离子体石墨化处理，可在5min内完成，制得的碳纤维拉伸强度可达6.52GPa，拉伸模量可达665GPa，取得了较好的技术效果。

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈纤维微波等离子体石墨化方法及其装置，属于碳纤维制备技术领域。

背景技术

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维，分子结构介于石墨与金刚石之间：按状态碳纤维可分为长丝、短纤维和短切纤维；碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变。耐疲劳性好，比热及导电性好，热膨帐系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。具有一般碳素材料的特性，耐高温，耐摩擦，导电，导热及耐腐蚀性等；与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性，柔软，可加工成各种织物，又由于比重小，沿纤维轴向表现出很高的强度，更重要的是，其微晶结构沿纤维轴向有择优取向，从而沿纤维轴向方向有很高的抗张强度和杨氏模量。碳纤维的比重小，因此有很高的比强度和比模量，把它制成复合材料，变成了材料世界的全能者。

各种结构性应用和行业鉴于其理想的性能而广泛使用碳纤维，例如，碳纤维可形成结构部件，这种结构部件结合了高强度和高刚度，同时具有明显轻于同等性能的金属部件的重量。可通过使前体纤维如纺成聚丙烯腈(PAN)纤维，在多步工艺中进行转复束制造碳纤维，在所述多步工艺中对前体纤维进行加热，氧化和碳化以制造含碳 90% 或以上的纤维：所得碳纤维可制成用于结构应用的高强及复合材料。可以其纯的形式用于电学及摩擦应用,或者进一步处理以用手吸附剂，过滤器或其它领域，具体地，已开发出碳纤维在树脂、陶瓷或金属基体中作为增强材料的复合材料。

碳纤维正越来越多地用作航空应用中的结构部件，为了满足航空工业的严格要求，需要不断开发同时具有高抗拉强度和高弹模量的新型碳纤维，具体地，期望开发抗拉强度2.0-6.5GPa，模量可达到200-650GPa或以上的纤维。

因而，需要同时具有高抗拉强度和高弹性模量的碳纤维，以及可用于制造这种碳纤维的方法和设备。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种聚丙烯腈纤维微波等离子体石墨化方法及其装置。本发明通过以下技术方案实现。

一种聚丙烯腈纤维微波等离子体石墨化方法，其具体步骤包括：

步骤1、首先将聚丙烯腈原丝经空气氛围在温度为240-300°C预氧化30-50min得到预氧化聚丙烯腈原丝；

步骤2、将步骤1预氧化聚丙烯腈原丝以惰性气氛在微波条件下温度为700-1400°C微波碳化4min得到碳化聚丙烯腈原丝；

步骤3、将步骤2得到的碳化聚丙烯腈原丝在微波等离子工作频率为400MHz-300GHz，输出功率为1W-100KW，在惰性气氛或氮气气氛下，以升温速率为20-160°C/min，在温度为1600-2800°C下微波等离子体石墨化1-5min得到力学性能更好的聚丙烯腈纤维。

所述步骤1中预氧化过程总牵伸为1-3%。

所述步骤2中微波碳化过程总牵伸为-1-1%。

所述步骤2中微波碳化过程总牵伸为-1-1%。